DE60006804T2

DE60006804T2 - Sehnen-Vorformlinge für faserverstärkte Artikel und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE60006804T2
Application number: DE60006804T
Authority: DE
Inventors: Howard Daniel HECHT
Original assignee: Cytec Carbon Fibers LLC
Current assignee: Cytec Carbon Fibers LLC
Priority date: 1999-04-14
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2004-09-23
Anticipated expiration: 2020-04-11
Also published as: EP1181260A1; EP1181260B1; WO2000061518A1; WO2000061518A9; ES2213575T3; KR20020022646A; JP2002541002A; DE60006804D1; US6365257B1; CA2370089A1; ATE255078T1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft einen Vorformling aus fortlaufenden Fasern für verstärkte Verbundstoffe und Verbundstoffe, die derartige Vorformlinge enthalten. Insbesondere betrifft diese Erfindung Kohlenstofffaser-Vorformlinge, die fortlaufendes Kohlenstofffaser-Werg umfassen, das in Form von Kreissehnen vorliegt, um ein nahezu netzförmiges Teil zu bilden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere verbesserte Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoffe zur Verwendung in Anwendungen, in denen äußerst starke Scherbeanspruchungen angetroffen werden, beispielsweise dadurch, dass sie einer Beanspruchung in Umfangsrichtung ausgesetzt sind. Ein ausgezeichnetes Beispiel einer derartigen Verwendung ist eine Reibscheibe, die in einer Scheibenbremse verwendet wird. Derartige Scheiben weisen im Wesentlichen eine Kreisform auf, wobei mindestens eine Oberfläche jeder Scheibe mit einer Reibfläche versehen ist. Die Bremswirkung wird durch Kontakt zwischen den Reibflächen der Scheiben bewirkt, wodurch die mechanische Energie der drehenden Scheiben in Wärme umgewandelt wird. Die Scheiben müssen nicht nur Scherbeanspruchungen standhalten, sondern auch als Kühlkörper dienen und große Wärmebelastungen aufnehmen. Durch seine Festigkeit, Dichte, Wärmeleistung, Wärmeleitfähigkeit, seinen Reibungskoeffizienten und seine Stabilität bis zu seiner Sublimationstemperatur (etwa 3600°C) war Kohlenstoff für die Verwendung bei der Konstruktion derartiger Scheibenbremsen besonders attraktiv, insbesondere wenn das Gewicht eine wichtige Rolle spielt, wie bei einem Flugzeug. Festigkeit und Steifheit eines Verbundstoffs werden durch die Ausrichtung der Verstärkungsfasern in der Matrix gesteuert. Wenn die Verstärkungsfasern gerade und fortlaufend sind, werden die Beanspruchungen wirkungsvoll in Richtung der Fasern durch den Verbundstoff übertragen. Sind die Verstärkungsfasern gekräuselt oder unterbrochen, sinkt der Wirkungsgrad, da die Beanspruchungen aus der Verstärkung heraus und durch die Matrix geleitet werden.
Nach dem Stand der Technik wurden Verbundstoffe im Allgemeinen so hergestellt, dass die Kohlenstofffaser-Komponente orientiert oder in eine Richtung ausgerichtet wurde, was allgemein für nötig erachtet wurde, um die Faserfestigkeit auszunützen und die mechanischen Eigenschaften des Verbundstoffs zu verstärken. Die Herstellung des Verbundstoffs, der die gewünschte Faserausrichtung aufweist, wird durch die Verwendung fortlaufender Kohlenstofffasern schneller erreicht, und solche Fasern werden für diese Anwendungen gegenüber unterbrochenen Fasern bevorzugt. Die Hauptarten fortlaufender Fasern, die zur Herstellung von Verbundstoffen verwendet werden, umfassen Webware oder unidirektionale Bänder zur Verwendung in Schichtstrukturen und fortlaufendes Fasergarn oder Werg zur Verwendung in Präzisionswickelverfahren hohlzylindrischer Formen und für Flechtwerk.
Beispielsweise werden nach der US-Patentschrift Nr. 4,790,052 an Orly Kohlenstoff-Verbundstoffbremsen hergestellt, wobei quasi-isotrope Schichtungen aus unidirektionalen Vlieslagen als Verstärkung verwendet werden. Diese Vlieslagen sind so geschichtet, dass zwischen den Filamenten aufeinander folgender Lagen der Struktur Winkel von um 0°/–60°/+60° gebildet werden. Obwohl der Stapel aus Vlieslagen als Ganzes quasi-isotrop ist, ist jede Vlieslage eine äußerst unausgeglichene Verstärkung, die multidimensionalen Kräften standhalten muss, die durch eine unidirektional verstärkte Vlieslage übertragen werden. An Belastungsstellen, wie den Zapfen einer Bremsscheibe, entstehen zwischen den Lagen sehr starke Beanspruchungen, die zu einem Versagen durch Lagenspaltung führen können. Um diesen Beanspruchungen entgegenzuwirken, wird ein sehr hoher Grad an Verfilzung zu Nadelfilz verwendet, um innerhalb des Stapels die Verstärkung zu erhöhen, wodurch die Verstärkungsfasern gekräuselt werden und ihre Wirksamkeit abnimmt. Das Verfahren von Orly weist außerdem wirtschaftliche und leistungsmäßige Nachteile auf. Das Verfahren ist kompliziert und führt zu geringer Materialausbeute, weil unidirektionale Vlieslagen verwendet werden, die rechteckig sind, um kreisförmige Teile herzustellen.
Eine Verbesserung zum Verfahren von Orly wurde in der US- Patentschrift Nr. 5,184,387 an Lawton eingebracht. Bei Lawton wird eine unidirektionale Lage aus Filamenten einer Verfilzung zu Nadelfilz unterzogen, um Formbeständigkeit zu schaffen. Die Lage wird dann in mehrere bogenförmige Segmente geschnitten und diese Segmente werden nebeneinander liegend zusammengefügt, um die Kreisform zu bilden. Dieses Verfahren, das dem in der Bekleidungsindustrie verwendeten ähnelt, verringert den Ausschuss an Material und ermöglicht, dass die Lagen so geschnitten werden, dass die Filamente in einigen Segmenten radial und in anderen in Umfangsrichtung verlaufen. Dieses Verfahren erzielt eine 0/90° Schichtung, dadurch dass die Filamente in einer oben aufliegenden Lage von Segmenten in einem 90° Winkel zu den Filamenten einer darunter liegenden Lage von Segmenten angeordnet sind. Der sich ergebende Verbundstoff ist weniger isotrop als der von Orly und erfordert ebenfalls einen hohen Verfilzungsgrad, um eine Lagenspaltung zu vermeiden.
In der US-Patentschrift Nr. 5,217,770 an Morris et. al. wird noch ein weiteres Verfahren offenbart. Dieses Verfahren verwendet ein ringförmiges Flechtgewebe, um ein Matte herzustellen, die dann zu Nadelfilz verfilzt wird, um eine 3-D-Struktur zu bilden. Das Geflecht umfasst spiralförmige Fasern, die in etwa 40 Grad zueinander verwoben sind, und unidirektionale Fasern, die beim Ablegen in Umfangsrichtung ausgerichtet werden. Ein oder mehrere Geflechte werden verwendet, um den Kreisring der Bremse zu füllen, der dann zu Nadelfilz verfilzt wird. Dieses Verfahren erzielt ein nahezu netzförmiges Teil mit Fasern, die so ausgerichtet sind, dass sie Belastungen in Umfangs- und Scherrichtung standhalten. Allerdings ist die Verwendung von Geflecht zur Bildung der Struktur ein sehr kompliziertes Textilverfahren, das die Kosten erhöht. Darüber hinaus sind Volumen und Winkel der spiralförmigen Fasern nicht über den gesamten Kreisring gleichmäßig, da ein röhrenförmiges Geflecht verwendet wird, um den Kreisring zu bilden. Wenn ein gerades Geflecht in einen Kreisring gebogen wird, werden die Fasern im Geflecht an der Innenseite der Kreisringes enger aneinander gedrückt und an der Außenseite des Kreisringes auseinander gezogen, wodurch sich deren Winkel und Faserdichte verändern.
Wie bereits angeführt, wird in der Textilverarbeitung häufig das Verfilzen zu Nadelfilz verwendet, um textile Lagenstrukturen zu verstärken und deren strukturellen Zusammenhalt zu verbessern. Allgemein beschrieben wird ein Vernadelungsprozess dadurch ausgeführt, dass mit Haken versehene Nadeln durch übereinander gestapelte Lagen gedrückt werden, normalerweise in der Dickenrichtung. Ein Teil der Fasern innerhalb der Stofflagen wird durch die Haken ergriffen und in Dickenrichtung verzogen, wodurch sowohl die einzelnen Stofflagen als auch der Lagenstapel verstärkt wird. Wenn die Fasern, aus denen die Lagen bestehen, fortlaufend sind, werden durch den Vernadelungsprozess einzelne Filamente unweigerlich zerrissen, wenn sie verzogen werden. Um dieses Zerreißen zu vermeiden oder zumindest auf ein Minimum zu beschränken, werden verbesserte Verfahren verwendet, bei denen Stapelfasern in die Struktur eingebunden werden, und zwar entweder als Teil der Stofflage oder als abwechselnde Lagen von Stapelfasern, um die Nadeln mit Stapelfasern zu versorgen, die beim Vernadelungsprozess neu ausgerichtet werden können. Bisher wurden gemäß dem Stand der Technik Vernadelungsprozesse bei Kohlenstofffaservlies und -bändern verwendet, um Vorformlingsstrukturen mit gutem Zusammenhalt herzustellen, die in der Produktion von Kohlenstoff-Kohlenstofffaser – verstärkten Verbundstoffen verwendet werden.
Der hohe Grad an Faserausrichtung innerhalb der Struktur dieser Verbundstoffe nach dem Stand der Technik soll den Vorteil der Festigkeit und Formstabilität der Kohlenstofffaser nutzen. Verbundstoffe, deren gesamter Faseranteil in der gleichen Richtung ausgerichtet ist, weisen allerdings eine stark anisotrope Eigenschaft auf und zeigen einen hohen Grad an Festigkeit und Formstabilität in Faserrichtung, wohingegen sie quer dazu unter stark verringerten Festigkeitseigenschaften und geringer Formstabilität leiden. Um sicherzustellen, dass die Festigkeit des Verbundstoffs wie auch seine Wärmeübertragungseigenschaft und andere wichtige Eigenschaften angemessen gleichmäßig sind, und um die unidirektionale Schrumpfung zu minimieren, die Verdrehungen oder ein Verziehen verursachen könnte, wird die Faserrichtung durchgehend bei Strukturen nach dem Stand der Technik variiert, wodurch dem Verbundstoff eine gewisse isotrope Eigenschaft verliehen wird. Die Lagen zeigen jedoch noch immer anisotrope Effekte. Wenn teurere Textilwaren oder Ähnliches verwendet wurden, musste der Hersteller immer noch zur Variation der Faserausrichtung zwischen aufeinander folgenden Lagen der Struktur greifen, beispielsweise die Verwendung einer 0/90° Ausrichtung in einer Lage, einer +/–45° Ausrichtung in der nächsten, und so weiter, wodurch der Verbundstoff in der Lagenebene weniger anisotrope Eigenschaften aufwies und insgesamt nahezu quasi-isotrop war. Wie oben beschrieben werden dreidimensionales Verweben, Vernadeln und ähnliche Verfahren oft angewendet, um die Ausrichtung der Fasern in Dickenrichtung zu verstärken und die Festigkeitseigenschaften zwischen den Lagen zu verbessern, um diesen anisotropen Beanspruchungen zu begegnen. Es ist jedoch nach wie vor schwierig, einen Vorformling mit isotropen Eigenschaften über die gesamte Struktur in der Faserverstärkung zu entwickeln, insbesondere auf der Blattebene.
Bestehende Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff-Kohlenstofffaser – verstärkten Verbundstoffen zeigen weitere Mängel auf. In den meisten Anwendungen werden die fertigen Kohlenstoffteile im Allgemeinen in exakten Abmessungen hergestellt, und ihre Produktion bedarf ausgiebiger Formgebung und maschineller Bearbeitung der karbonisierten oder vollständig graphitierten Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoffrohlinge.
Präzisionsbearbeitung ist in der Durchführung teuer und schwierig, und bei Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoffen ist große Sorgfalt erforderlich, um ein Brechen oder anderweitiges Beschädigen zu vermeiden. Kohlenstoff-Rohlinge, die im Wesentlichen Form und Abmessungen des Fertigprodukts aufweisen, sogenannte Nettoformrohlinge, würden das Ausmaß an notwendiger maschineller Bearbeitung verringern und zu wesentlich geringeren Kosten führen. Karbonisierte Vorformlinge sind aber im Allgemeinen bröckelig und können nicht einfach geformt oder umgebildet werden. Die Herstellung geformter Vorformlinge aus Stofflagen oder Faservlies erfordert deshalb im Allgemeinen vor dem Stapeln und Vernadeln ein Schneiden von Bestandteilen in der gewünschten Endform aus einer Stofflage. Derartige Schnittverfahren sind verschwenderisch und liefern eine beachtliche Menge Stoffabfall. Selbst wenn geeignete Methoden zur Wiederverwertung der Abfallstoffe gefunden werden, erhöht die Herstellung und Umarbeitung der Abfallstoffe die Energie- und Entsorgungskosten, die den Herstellungsvorgang bereits belasten, und verteuert die Gesamtproduktionskosten des Kohlenstoffartikels beträchtlich.
Verfahren zur Bildung von Vliesbahnen aus Kohlenstofffasern wurden im Stand der Technik beispielsweise auch in der US-Patentschrift Nr. 4,032,607 an Schulz offenbart. Laut Patentinhabern können besonders attraktive Bahnen aus mittelphasigem Pech gebildet werden, durch Schmelz- oder Blasspinnen des Pechs, Luftablegen oder Wasserablegen der erhaltenen Fasern entweder so, wie sie gesponnenen sind, oder nachdem sie zerhackt worden sind, und Wärmeaushärten oder Luftoxidieren der Vliesbahn, um die Struktur vor der Karbonisierung zu stabilisieren. Im Allgemeinen bestehen die erhaltenen Vliesbahnen aus ungeordneten Filamenten statt aus Filamentbündeln oder -werg und nehmen die Form dünner Filze und Papiere geringer Dichte an, die eine sehr niedrige Rohdichte aufweisen, die im Allgemeinen weit unter etwa 0,3 g/cm³ liegt. Vliesbahnen können zur Verwendung in der Bildung geschichteter Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Strukturen ebenso gut geeignet sein wie fortlaufende Faserbänder und -Stoffe, indem Lagenanordnung und Vernadelungsmethoden nach dem Stand der Technik verwendet werden, wie diejenigen, die oben beschrieben wurden. Selbst nach der Vernadelung weisen Strukturen, die derartig stark ungeordnete Filamente umfassen, im Allgemeinen ein niedriges Faservolumen auf und folglich eine sehr geringe Dichte. Derartige Strukturen bieten nicht die Festigkeitsvorteile, die normalerweise erhalten werden, wenn dichte Strukturen mit hohem Faservolumen verwendet werden, die ausgerichtete und orientierte fortlaufende Fasern umfassen, entweder in Form von Webware oder als unidirektionales Faserband.
Im Stand der Technik sind auch Kohlenstoffkörper beschrieben, die mit in Umfangsrichtung gewickelten Kohlenstofffasern verstärkt sind, wie in der US-Patentschrift Nr. 3,867,491 beschrieben, wobei verstärkende Fasern lose auf eine Breite gewickelt werden, die größer als die axiale Dicke des gewünschten Kohlenstoffkörpers ist.
GB 2 013 294 beschreibt die Herstellung von Scheibenbremsen, wobei ein kohlenstoffhaltiges, mit einem Bindemittel imprägniertes Band um einen Scheibenbremsenkern gewickelt wird.
Ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffaser-Vorformlingen und Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoffen mit überlegenen Festigkeitseigenschaften und guten thermischen Eigenschaften aus im Wesentlichen fortlaufenden Fasern wäre besonders nützlich in der Technik der Kohlenstoff-Verbundstoffe, bevorzugt in einer nahezu netzförmigen Form und unter Vermeidung der Verwendung unidirektionaler Bänder, Fasern oder Bahnen, die verringerte Festigkeit und in Querrichtung geringe Formstabilität aufweisen.
Deshalb ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die Bereitstellung verbesserter verstärkter Verbundstoffe. Eine weitere Aufgabe ist die Bereitstellung von hochfesten faserverstärkten Strukturen für Verbundmaterialien. Eine weitere erfindungsgemäße Aufgabe ist die Bildung eines nahezu netzförmigen runden oder ringförmigen Reibscheiben-Vorformlings, der weniger Abfall teuerer Verstärkungsfasern produziert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Vorformling zur Verwendung bei der Herstellung von Verbundartikeln bereitgestellt, der die Form eines im Allgemeinen runden Vlieses aufweist, das aus einer Faseranordnung zusammengesetzt ist, die sich innerhalb der Grenzen des Vorformlings befindet, die durch eine obere und eine untere runde Vliesoberfläche definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern dieser Anordnung als Kreissehnen vorgesehen sind, die über die Dicke der Matte hinweg eine große Spannbreite an Ausrichtungen aufweisen können.
Die Erfindung sieht weiterhin die Verwendung derartiger Vorformlinge zur Herstellung von Reibscheiben vor, die Kohlenstofffaser-Werg umfassen, das als Kreissehnen vorliegt, wobei Winkel und Stellung der Sehnen so gewählt sind, dass Festigkeit, Steifheit und Reibeigenschaften auf verschiedenen Ebenen der Reibscheibe optimiert werden.
Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zur Herstellung der oben definierten Vorformlinge bereitgestellt, das die Schritte umfasst, eine Faser als Kreissehne um eine Stiftspindel zu wickeln, um die Form des Vorformlings gleichmäßig auszufüllen und einen nahezu netzförmigen Vorformling zu bilden.
Es ist selbstverständlich, dass Vorformlinge erfindungsgemäß mit Verstärkungsfasern hergestellt werden können, die als Kreissehnen in zahlreichen Winkel angeordnet sind, und dass sie über den Vorformling hinweg so gerade und fortlaufend wie möglich bleiben, um die Verstärkungswirkung zu maximieren. Ein weiterer Aspekt dieser Erfindung ist die Bereitstellung einer Reibscheibe mit in der Ebene nominal isotopen Eigenschaften, die eine große Anzahl verschiedener Faserausrichtungen in der Blattebene und durch den gesamten Verbundstoff aufweist. Letztlich bietet die Erfindung den Vorteil, ein Verfahren zur Herstellung eines Reibscheibenvorformlings bereitzustellen, das einfach angepasst werden kann, um die Werggröße, die Anzahl der verwendeten Werge und die Winkel der Sehnen, die für die Wicklung verwendet werden, zu ändern, um die gewünschten mechanischen und Verschleißeigenschaften einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bremse zu optimieren.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Sehnen-Vorformlinge, die eine dreidimensionale Faserstruktur aufweisen, die als Verstärkung bei der Herstellung von Verbundstoffen geeignet sind, und besonders gern zur Herstellung von hochfesten, hochwärmeleitenden Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-verstärkten Verbundstoffen verwendet werden, können durch die Anordnung von Fasern in Form von Kreissehnen hergestellt werden, um den Kreis, oder einen Kreisring innerhalb des Kreises, einer Reibscheibe zu füllen, die dann durch Verfilzung zu einem 3D-Filz verarbeitet werden. Das Anordnen der Verstärkungsfasern von Kreissehnen für geometrische Standardformen führt zu einem Vorformling oder einem Abschnitt eines Vorformlings, der im Wesentlichen auf der Blattebene isotrop ist, und der Verstärkungsfaserwerg enthält, das nicht unidirektional und ausreichend gerade ist, um eine Verstärkungswirkung zu erzielen. Das Verfilzen zu Nadelfilz dient der Verstärkung der Strukturdichte und der Neuausrichtung eines Teils der Fasern in Dickenrichtung, um Zusammenhalt und Festigkeitseigenschaften zu verbessern. Der Vorformling kann einfach direkt aus Fasern als netzförmiger Vorformling hergestellt werden, der die allgemeine Gesamtform des fertigen Produkts aufweist, wobei die Dimensionen so gewählt werden, dass sie Schrumpfungen berücksichtigen, die sich beim nachfolgenden Wärmebehandeln einstellen können. Der netzförmige Wicklungsvorgang minimiert den anfallenden Überschuss und die dadurch einhergehende Abfallmenge, die in Verfahren nach dem Stand der Technik zur Herstellung hochfester Verstärkungstextilstoffe, -bahnen und -bänder anfällt, und verringert den Bedarf an teuren Bearbeitungs- und Formbildungsschritten.
Der bevorzugte Vorformling umfasst im Allgemeinen Kohlenstofffasern, wobei, obwohl er ohne den Zusatz von Bindemitteln oder ähnlichem auskommt, die mechanische Festigkeit des Vorformlings ausreichend ist, dem nachfolgend durchgeführten Herstellungsprozessen des Kohlenstoff-Verbundstoffs Stand zu halten, die das Durchdringen mit pyrolytischem Kohlenstoff oder Imprägnieren mit einem in Kohlenstoff umwandlungsfähigen Füllstoff und eine nachfolgende Karbonisierung beinhalten. Der Vorformling kann auch bei der Herstellung von faserverstärkten, unter Wärme aushärtenden und thermoplastischen Kunstharzmatrizen, Metallmatrizen und Matrizen keramischer Verbundstrukturen Anwendung finden.
Ein dichter Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoff kann einfach hergestellt werden, indem pyrolytischer Kohlenstoff mittels chemischer Bedampfungs- und Durchdringungsverfahren, die in der Verbundstofftechnik wohlbekannt und vielverwendet werden, innerhalb der erfindungsgemäßen Vorformlinge abgelegt wird. Alternativ kann der Vorformling auch mit einem karbonisierbaren Füllstoff imprägniert werden, unter Einwirkung von Druck und Wärme ausgehärtet und dann weiter erwärmt werden, um den Füllstoff und jegliche vorhandene Pechfaseranteile in Kohlenstoff umzuwandeln, wodurch ein dichter Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoff entsteht. Bei Bedarf kann ein mehrmaliges Durchdringen oder Imprägnieren angewendet werden, um ein Produkt herzustellen, das die gewünschte Dichte aufweist, und die Vorgänge können auch kombiniert angewendet werden. Der in diesem Zusammenhang verwendete Begriff "Kohlenstoff" umfasst sowohl graphitierten als auch nicht graphitierten Kohlenstoff. Dementsprechend können Kohlenstofffaser-Vorformlinge graphitierte oder teilweise graphitierte Kohlenstoffverstärkungsfasern oder eine Kombination davon umfassen, sowie Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoffe, die eine solche Verstärkung umfassen, die in einer Matrix aus graphitiertem oder teilweise graphitiertem Kohlenstoff eingebettet ist. Artikel, in denen sich die Matrix und möglicherweise auch deren Fasern noch immer im wärmeaushärtbaren Zustand befinden, sind ebenfalls eingeschlossen.
Daher stellt diese Erfindung in einer Ausführungsform einen Vorformling bereit, in dem 5–100% der Fasern des Vorformlings als Kreissehnen vorliegen. In einer anderen Ausführungsform stellt die Erfindung einen Vorformling aus Verbundstoff bereit, der Fasern umfasst, die als Kreissehnen vorliegen, um einen Vorformling zu erhalten, der im Wesentlichen in der Blattebene hinsichtlich seiner Festigkeit, Steifheit und thermischen Eigenschaften isotrop ist. In einer anderen Ausführungsform stellt diese Erfindung einen Kohlenstofffaser-Vorformling bereit, der Kohlenstofffaserwerg umfasst, das in Form von Kreissehnen vorliegt, um einen Vorformling zu erhalten, der im Wesentlichen in der Blattebene hinsichtlich seiner Festigkeit, Steifheit und thermischen Eigenschaften isotrop ist. In einer weiteren Ausführungsform stellt diese Erfindung einen Kohlenstofffaser-Vorformling bereit, der um eine beliebige Mittelachse oder einen Mittelpunkt ausgewogen und symmetrisch ist und im Wesentlichen fortlaufendes Kohlenstofffaserwerg umfasst, das derart in Form von Kreissehnen vorliegt, dass auf verschiedenen Ebenen des Vorformlings verschiedene Sehnenwinkel verwendet werden, so dass die auf verschiedenen Ebenen einer Verschleißscheibe benötigten Eigenschaften optimiert werden. In einer anderen Ausführungsform stellt diese Erfindung einen Kohlenstofffaser-Vorformling bereit, der im Wesentlichen fortlaufendes Kohlenstofffaserwerg umfasst, das in Form von Kreissehnen und geschnittenen Fasern im Vorformling vorliegt und bevorzugt in Richtung der z-Achse ausgerichtet ist. Eine andere Ausführungsform stellt ein Verfahren zur Herstellung eines fasrigen Vorformlings bereit, das das fortlaufende Anordnen von Fasern in Form von Kreissehnen umfasst, indem die Fasern in ausgewählten Sehnenwinkeln so um eine Spindel gewickelt werden, dass der Vorformling im Wesentlichen gleichförmiges Faserflächengewicht aufweist, wobei die Fasern so angeordnet werden, dass sie eine große Spannbreite an Ausrichtungen im gesamten Vorformling beinhalten.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
1 zeigt einen Ausschnitt eines Wickelmusters von Sehnen um einen Kreis.
2 zeigt die Wickelschritte eines Vorformlings unter Verwendung einer Spindel mit horizontalen Stiften.
3 zeigt ein Verfahren, durch das das radiale Faserflächengewicht bestimmt wird.
4 zeigt die Änderung der Isotropie von netzförmigen Vorformlingen hinsichtlich der Änderungen des Verhältnisses Innendurchmesser/Außendurchmesser.
5 zeigt das gesamte Musterbild von Fasern, wobei sie in sämtlichen Sehnenwinkeln, die in Beispiel 4 verwendet wurden, angeordnet sind.
6 zeigt eine graphische Darstellung eines Querschnitts durch ein Viertel eines Stapels des in Beispiel 6 gewickelten Vorformlings.
Ein dreidimensionaler Kohlenstofffaser-Vorformling; der geeignet ist, bei der Herstellung von hochfesten Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoffen verwendet zu werden, kann erfindungsgemäß aus im Wesentlichen fortlaufenden Fasern produziert werden, ohne dass Bindemittel oder eine Imprägnierung aufgetragen wird. Dieser Aufbau eines Vorformlings beruht, im Gegensatz zum Stand der Technik, auf Werg, das sowohl genau vorbestimmte als auch zerstreute Faserausrichtungen erzielt. Die Struktur ist aus feinen Verstärkungseinheiten zusammengestellt, die die große Spannbreite an verschiedenen Ausrichtungen abdecken, die durch die kreisförmige Geometrie möglich ist. Die kreisförmige Geometrie wird am besten durch das Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser des Vorformlings beschrieben, AD/ID. Die meisten AD/ID-Verhältnisse liefern Ausrichtungen der Verstärkungen; die im Wesentlichen isotrop sind. Zum Zwecke der Erfindung bedeutet im Wesentlichen isotrop, dass der Vorformling hinsichtlich Festigkeit, Steifheit und thermischer Eigenschaften auf der Blattebene nahezu Isotropie aufweist. Ein Blatt ist, wie nachstehend erläutert, etwa 0,005 bis 0,100 Zoll dick.
Wie in 4 dargestellt, liefert ein großes AD/ID-Verhältnis Faserausrichtungen, die alle Winkel abdecken.
Daher sind Kreisringe mit kleinem oder keinerlei Innendurchmesser hinsichtlich mechanischer und thermischer Eigenschaften flächenmäßig isotrop, d. h. auf Blattebene isotrop. Wenn das AD/ID-Verhältnis verringert wird, wird der Kreisring dünner und die Faserorientierung behält ihre im Wesentlichen isotrope Eigenschaft, bis ganz kleine AD/ID-Verhältnisse erreicht worden sind. Bei AD/ID-Verhältnissen von etwa 3 wird die Ausrichtung ausgesprochen anisotrop, wobei sich die Eigenschaften in Umfangsrichtung verstärken. Dünne Kreisringe, die erfindungsgemäß hergestellt wurden und größere Isotropie erfordern, als dies durch Konstruktionen aus Sehnen-Vorformlingen erreichbar ist, können durch große Sehnenwinkel vergrößert werden, um den Grad an gewünschter Isotropie zu erreichen, wobei allerdings mehr Abfall anfällt. Eine Isotropie oder sogar radial verbesserte Verstärkung können durch die Zufügung weiterer Verarbeitungsmöglichkeiten erreicht werden, wobei unter höheren Kosten und größerem Aufwand durch Verwendung bekannter Textiltechniken radiale Fasern hinzugefügt werden.
Dieser Wechsel von Isotropie zu Anisotropie ist der Beanspruchung auf die Reibscheibe gut angepasst. Reibscheiben mit großem AD/ID-Verhältnis erfordern den höchsten Grad an Isotropie; um die Reibungsbelastungen und deren mechanische Reaktionskräfte auszugleichen, insbesondere an den Zapfen-/Bolzenbefestigungspunkten. Dünne ringförmige Reibscheiben erzeugen einerseits insgesamt verringerte Drehmomente, da sie einen geringeren Wirkungsbereich zur Reibungserzeugung aufweisen. Die mechanische Belastung muss allerdings über dünnere Abschnitte auf die Befestigungspunkte übertragen werden und diese Abschnitte benötigen daher eine größere Steifheit, um einem Verziehen zu widerstehen. Die sich verändernde Isotropie der Struktur des Sehnenvorformlings ist für diese Art der Verwendungen und mechanischen Belastungen gut geeignet.
Das Anordnen der Faser in Form von Kreissehnen anstatt als unidirektionale Bänder oder Stoffe liefert einen verbesserten Vorformling für die Herstellung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstoffen. Festigkeit und Steifheit eines Verbundstoffes werden maßgeblich durch die Ausrichtung der Verstärkungsfasern bestimmt. Die Verstärkungsfasern können nur in der Richtung ihrer Ausrichtung Kräfte effizient übertragen. Wenn die Verstärkungsfaser gekräuselt oder unterbrochen ist, werden Beanspruchungen aus den Verstärkungsfasern heraus auf die schwächere und weniger steife Matrix übertragen. Dadurch müssen, wenn unidirektionale Fasern verwendet werden, nicht-ausgerichtete oder multidimensionale Kräfte in gewissem Maße durch die Matrix übertragen werden, was den Verlust von Steifheit zur Folge hat und eventuell zum Versagen von Matrix und Verbundstoff führt. Das Anordnen der Verstärkungsfasern in Form von Kreissehnen liefert Verstärkungsfasern in einer großen Spannbreite an Richtungen, die wirkungsvoll planare Kräfte aus einer beliebigen Richtung durch den Verbundstoff übertragen können, obwohl die Eigenschaften in einer einzelnen Richtung im Vergleich zu einem unidirektionalen Blatt geringer sind.
Beispielsweise kann ein Verbundstoff, der aus Bändern und Stoffen besteht, so konstruiert sein, dass er quasiisotrop ist, indem die Bänder und Stoffe übereinander gelegt werden und ihre Ausrichtungen in der Blattebene variiert werden. Da die Bänder oder Stoffe jedoch, die durchweg über das Volumen des Verbundwerkstücks übereinander gelegt sind nicht isotrop sind, erzeugen sie beachtliche Beanspruchungskonzentrationen an den Grenzflächen der einzelnen Blätter. Nicht isotrope Blätter nehmen die Belastung an einer Grenzfläche auf und versuchen, diese durch diese Grenzfläche an das steifste hieran befestigte Material zu übertragen, wie zu dem nächsten Blatt von Verstärkungsfasern oder zu dem angrenzenden Zapfen oder Bolzen, der an der Tragstruktur befestigt ist. Dieses Verfahren der Belastungsaufnahme an Grenzflächen und die Möglichkeit, die Übertragung der Belastung zu lokalisieren, kann zur Konzentration der Beanspruchung am Übertragungspunkt führen und die Wahrscheinlichkeit eines Versagens erhöhen. Stapel nichtisotroper Verstärkungen arbeiten auf diese Art, wobei die höchsten Belastungskonzentrationen an den Grenzen des Verbundstoffs auftreten, insbesondere an den hochbeanspruchten Befestigungspunkten wie den Bolzen und Zapfen. Die vorliegende Erfindung überwindet dieses Problem, indem sie Verstärkungsfasern umfasst, die in der Blattebene in einer großen Spannbreite verschiedener Ausrichtungen angeordnet sind, so dass die Belastungskonzentration an den Grenzflächen stark verringert ist. Das liegt daran, dass das Belastungsausmaß, das in eine Richtung übertragen werden kann, durch die Größe des Wergs begrenzt ist. Im Gegensatz zur gestapelten Schichtung, in der das gesamte Blatt die Beanspruchung in eine Richtung überträgt, ist die Größe der Fläche, die erfindungsgemäß unidirektionale Belastungen überträgt, auf die Fläche des bestimmten Wergs begrenzt, das in dieser Richtung angeordnet ist.
Kohlenstofffasern sind seit langem bekannt, und Verfahren zu ihrer Herstellung aus einer Vielzahl an Vorprodukten sind im Stand der Technik gut beschrieben. Vorprodukte aus Cellulose werden seit den frühen 60ern zur Herstellung von Kohlenstofffasern verwendet, wobei seit fast zwei Jahrzehnten Rayon das Hauptkohlenstofffaser-Vorprodukt darstellt. Als in letzter Zeit im Rahmen des technischen Fortschritts Verfahren zur Herstellung von Kohlenstofffasern entwickelt wurden, die aus Materialien wie Polyacrylonitril (PAN) und Pech hergeleitet werden, ist die Bedeutung der Kohlenstoffasern auf Rayonbasis gesunken. Polyacrylonitrilfasern bieten, wenn sie oxidiert und unter geeigneten Bedingungen karbonisiert werden, zähe, hochfeste, hochelastische Kohlenstofffasern, und die gesamte Umformungsausbeute in der Herstellung von Faser aus PAN ist gut. Folglich werden PAN-Fasern seit langem zur Herstellung von Vorformling-Strukturen bevorzugt.
Kohlenstofffasern können auch leicht aus mittelphasigem Pech hergestellt werden, indem das geschmolzene Pech zu Fasern versponnen wird, die Pechfasern durch Erhitzung an der Luft oxidiert werden, um in Wärme ausgehärtete Fasern zu bilden, und diese durch eine weitere Wärmebehandlung in Abwesenheit von Luft karbonisiert werden. Es ist in Fachkreisen selbstverständlich bekannt, dass schmelzversponnene Pechfilamente Strukturen hoher Ordnung aufweisen, die langgestreckte, mittelphasige Flüssigkristall-Bereiche umfassen, die mit der Filamentachse ausgerichtet sind. Bei der Karbonisierung liefern diese Bereiche Kohlenstoff- oder Graphitfasern, die ein hohes Maß an kristalliner Ordnung aufweisen. Es wurde allgemein erkannt, dass derartige auf Pech basierende Fasern hoher Ordnung imstande sind, Kohlenstofffasern bereitzustellen, die eine größere Steifheit und höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als Kohlenstofffasern aus anderen Quellen, und Kohlenstoffverbundstoffe mit ähnlichen Eigenschaftskombinationen und niedrigem oder sogar negativem Wärmeausdehnungskoeffizienten eine große Anzahl verschiedener Anwendungen fänden. Darüber hinaus werden in Wärme aushärtbare, mittelphasige Pechfasern mit höheren Ausbeuten karbonisiert und graphitiert als andere karbonisierbare Vorproduktfasern, wie Rayonfasern, PAN-Fasern und oxidierte PAN-Fasern, d. h. in Wärme aushärtbare Pechfasern unterliegen einer geringeren Gewichtsreduktion, wenn sie thermisch bearbeitet werden. Dies führt wiederum zu geringerer Schrumpfung beim Karbonisierungs- und Graphitierungsprozess und verringert die gleichzeitige Entstehung von Hohlräumen und inneren Spannungen auf ein Minimum, die normalerweise bei anderen Faservorprodukten auftreten. Aus diesen Gründen werden in Wärme aushärtbare Pechfasern zur Verwendung in der Umsetzung dieser Erfindung als besonders nützlich und erwünscht erachtet.
Bevorzugt werden in Wärme aushärtbare Pechfasern in Form von fortlaufendem Werg oder Garn verwendet. Fortlaufendes Faserwerg umfasst normalerweise mehrere Filamente, üblicherweise zwischen 1 000 und 20 000 oder mehr, und kann sogar 300 000 übersteigen, wobei die axialausgerichteten Filamente Festigkeit in Faserrichtung des Wergs verleihen. Die in Wärme aushärtbare Pechfaser wird zu einem porösen, dreidimensional verstärkten Vorformling verarbeitet. Bevorzugt wird diese Faser zu einem dicken Vlies geringer Dichte geformt, das die allgemeine Form des Teils aufweist, wobei die fortlaufende Faser innerhalb der Vliesebene ausgerichtet ist. Eine Verstärkung in Dickenrichtung wird nachfolgend durch eine Vernadelung hinzugefügt. Der Vorformling wird dadurch in der allgemeinen Form des fertigen Endprodukts hergestellt, wodurch sich ein Schneide- und Formbildungsvorgang erübrigt, und dadurch der beträchtliche Abfall, der normalerweise mit derartigen Schritten verbunden ist, auf ein Minimum reduziert wird.
In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform liegt das fortlaufende Faserwerg bzw. Garn in Form von Kreissehnen um eine Stiftspindel vor, wie in 1 und 2 dargestellt. Anzahl, Abfolge und Winkel der Sehnen werden so gewählt, dass das kreis- oder ringförmige Volumen gleichmäßig ausgefüllt wird. Üblicherweise werden zehn bis zwanzig Winkel für eine bestimmte gewünschte Geometrie gewählt, die ein gleichmäßiges radiales Faserflächengewicht mit Abweichungen von +/– 2 erzielen. Beispielsweise kann ein Kreisring mit einer Geometrie, die so ausgelegt ist, dass das Verhältnis von Außendurchmesser (AD)/Innendurchmesser (ID) vier ist, einen Satz bevorzugter Winkel aufweisen, während ein anderer Kreisring mit einem AD/ID-Verhältnis von fünf einen zweiten Satz bevorzugter Winkel aufweist. Die gewählten Winkel können geringfügig eingestellt werden oder zusätzliche Sehnen können zur Wicklungsabfolge hinzugefügt werden, um sicherzustellen, dass das Faserflächengewicht des Kreisrings ebenfalls gleichmäßig ist.
Das eigentliche Wickeln des Vorformlings kann manuell erfolgen, bevorzugt wird jedoch ein automatisches Verfahren verwendet. Der Vorformling kann auf eine Reihe verschiedener Arten von Spindeln gewickelt werden, und Spindeln geeigneten Aufbaus, die im Stand der Technik beschrieben sind und deren Verwendung für Wicklungen fortlaufender Faserstrukturen bekannt ist, können für die Verwendung zur Herstellung von erfindungsgemäßen Vorformlingen entsprechend angepasst werden. Zum Zwecke der weiteren Diskussion wird bei der Beschreibung der erhaltenen Strukturen, die Spindelebene als x-y- oder in einer Ebene liegende Ausrichtung oder Richtung bezeichnet, und unter der z- oder senkrechten Richtung wird die Richtung verstanden, die senkrecht dazu verläuft und auch als Dickenrichtung bezeichnet wird.
Zwei mögliche Arten umfassen jeweils eine kreisförmige Spindel mit vertikalen oder horizontalen Stiften. Wenn vertikale Stifte verwendet werden, Stifte in z-Richtung, wird die Faser um einen Stift gewickelt, der als Winkel 0° bezeichnet ist, die Spindel wird zum Stift hin bei dem ersten gewählten Winkel gedreht und die Faser wird um den Stift gewickelt, um eine Kreissehne zu bilden. Dieser zweite Stift wird dann als Winkel 0° bezeichnet, die Spindel wird in den zweiten gewählten Sehnenwinkel gedreht, die Faser um den Stift gewickelt, und der Vorgang so lange wiederholt, bis das Volumen des Vorformlings gleichmäßig mit nicht unidirektionalen Fasern oder Werg ausgefüllt ist. Sobald es ausgefüllt ist, wird der Vorformling in einem Stück von der Spindel entfernt. In Beispiel 1 wird dieser Vorgang von Hand vorgenommen, um den Vorformling zu bilden. In den Beispielen 2 bis 4 wurde ein mechanisiertes oder automatisches System mit horizontalen Stiften verwendet.
Das mechanisierte und automatische Gerät, das in den Beispielen beschrieben wird, verwendet eine ebene Scheibe mit Stiften, die sich radial in der x-y-Ebene erstrecken. Es können allerdings auch vertikal verlaufende Stifte verwendet werden. Ein Elektromagnet und ein Bedienungs- oder Haas CNC-Drehtisch arbeiten nacheinander, um die Wergposition in den Stiften einzustellen oder die Spindel auf die nächste Sehnenposition einzustellen. Ein Rohr wird verwendet, um die Faser durch die Stifte zu führen, so dass die Fasern nicht beschädigt werden. Das Rohr führt die Fasern von einer ebenen Oberfläche der Scheibe zur anderen, wobei sie zwischen einer oberen und einer unteren Position wechselt. Das Rohr beginnt in einer oberen Position und die Faser ist durch den Stift in einem 0° Winkel angeordnet. Die Spindel dreht sich zum Stift beim ersten gewählten Winkel und das Rohr fällt in seine untere Position. Während das Rohr in der unteren Position verweilt, dreht sich die Spindel zu dem nächsten gewählten Winkel. Das Rohr wird dann in die obere Position angehoben. Dieser Vorgang bewirkt, dass der erste Sehnenwinkel auf der Oberfläche der Spindel gebildet wird, der zweite Sehnenwinkel auf der Unterseite der Spindel und der dritte Sehnenwinkel auf der Oberfläche der Spindel und so weiter, bis Tausende von Sehnenwinkeln fertig gestellt sind und der Vorformling aus nicht unidirektionalen Fasern oder Werg gebildet ist, die um die Spule angeordnet sind. Bei diesem Verfahren muss der Vorformling von der Spindel abgeschnitten werden, neu ausgerichtet werden, um aufeinander zu passen und wieder aufeinander gelegt zu werden. Die Zunahme des Durchmessers beim Wickeln kann geringfügige Korrekturen an den Sehnenwinkeln erfordern, um ein gleichmäßiges Faserflächengewicht zu erhalten.
Bei beiden Verfahren wird der Vorformling zuerst unter Verwendung im Wesentlichen fortlaufender Fasern oder fortlaufenden Wergs gebildet, die um eine Spindel gewunden oder gewickelt werden. Bei der Verwendung des vertikalen Stiftverfahrens muss allerdings der Vorformling nicht von der Spindel abgeschnitten werden und kann in einem Stück entfernt werden. Dies liefert. einen fertigen Vorformling mit im Wesentlichen durchgehend fortlaufenden Fasern über das gesamte Volumen des Vorformlings. Beim Verfahren mit horizontalen Stiften werden die Fasern um den Außendurchmesser der Spindel gewickelt, was ein Fasermuster sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite der Spindel erzeugt. Dieses Verfahren erfordert das Abschneiden des Vorformlings, indem der Vorformling entlang dem Außendurchmesser der Spindel durchgeschnitten wird, um zwei getrennte Teile zu bilden, die wieder aufeinander gelegt werden, um den Vorformling zu bilden. Dies liefert einen Vorformling mit im Wesentlichen über den Vorformling fortlaufenden Fasern, die aber an den Rändern des Vorformlings enden. Mit anderen Worten, die Fasern sind von der einen Kante des Vorformlings zur anderen fortlaufend, weil sie als Kreissehnen ausgebildet wurden. Es ist wichtig anzumerken, dass es diese Kontinuität der Fasern von Kante zu Kante des Vorformlings ist, die in der vorliegenden Erfindung wichtig ist, und dass Fasern, die an den Rändern enden, für die meisten Anwendungen ausreichen. Für Anwendungen, die fortlaufende Fasern an den Rändern erfordern, kann jedoch in Verbindung mit Befestigungs- und Verdichtungsmethoden eine Spindel mit vertikalen Stiften verwendet werden, um einen fortlaufenden Faserverlauf zu gewährleisten und Maßtoleranzen einzuhalten. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bedeutet im Wesentlichen fortlaufend, dass mindestens 50% der als Sehnen abgelegten Fasern von einer Kante des Vorformlings zur anderen fortlaufend sind. Bevorzugt sind 66% und besonders bevorzugt 75%.
Wie bereits angemerkt, ist es bevorzugt, dass das Faserwerg in einer Weise abgelegt wird, die ein gleichmäßiges Flächengewicht erzeugt, wobei ein Faservlies entsteht, das eine Dichte von 0,3 bis etwa 0,7 g/cm³ aufweist, bevorzugt von etwa 0,5 bis etwa 0,6 g/cm³. Obwohl Vliese mit Dichten außerhalb dieses Bereichs in manchen Anwendungen nützlich sein können, weisen im Allgemeinen Vliese niedriger Dichte, die eine Dichte von weniger als etwa 0,3 g/cm³ aufweisen, sehr leichte, beinahe flaumige Strukturen auf. Derartige Vliese erfordern im Allgemeinen eine beachtliche Verdichtung, um die Rohdichten zu erreichen, die für die meisten Anwendungen des Vorformlings erforderlich sind, was normalerweise zu einem sehr starken Kräuseln der Fasern führt. Vliese mit Dichten von mehr als etwa 0,6 g/cm³ sind ohne außergewöhnliche Maßnahmen schwierig herzustellen.
Die Sehnenwinkel, die zur Wicklung ausgewählt werden, bestimmen das radiale Faserflächengewicht, das relativ gleichmäßig sein muss, bevorzugt +/– 2% über den gesamten Vorformling hinweg. Das radiale Faserflächengewicht kann durch das Aufspalten des Kreises oder Kreisrings insgesamt in dünnere Ringe und durch die Berechnung der Länge jeder Sehne innerhalb jedes Ringdurchmessers bestimmt werden. Die Länge der Fasern aller Sehnen jedes Rings werden addiert und durch die inkrementale Ringfläche geteilt, um das Faserflächengewicht zu erhalten. Das Faserflächengewicht jedes Rings wird normiert und die Differenz zu Eins wird verwendet, die Sehnenwinkel zu ändern, um innerhalb des bevorzugten Toleranzbereichs zu bleiben.
Die Länge jeder Sehne innerhalb jedes Ringdurchmessers wird unter Verwendung elementarer geometrischer Prinzipien berechnet. Es ist allgemein bekannt, dass das Quadrat der Hypotenuse eines rechtwinkligen Dreiecks gleich der Summe der Quadrate der beiden Schenkel ist (z. B. a² + b² = c²). Deshalb muss zur Bestimmung der Länge eines Schenkels die Länge der restlichen beiden bestimmt werden. Wenn dies auf die vorliegende Erfindung angewendet wird, kann das radiale Faserflächengewicht bestimmt werden. Wie in 3 dargestellt, ist der Radius des inkrementalen Kreisrings (R_ai) vorgegeben. Der Sehnenradius (R_c) kann aus R, das AD/2 ist, berechnet werden, und der Sehnenwinkel θ aus der Gleichung (R_c = AD/2 × cos(θ/2)). Aus diesen Längen wird die Länge der Faser innerhalb eines bestimmten Kreisrings berechnet. Dieser Berechnungsvorgang wird unter Verwendung handelsüblicher Rechnerprogramme (z. B. Microsoft Excel^®) einfach durchgeführt, und eine Aufstellung dieser Werte ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Sehnenwinkel und der Außendurchmesser eines bestimmten Vorformlings werden in eine Kalkulationstabelle eingetragen, die die geometrischen Größen berechnet und den Anteil des Faserflächengewichts auf der Basis inkrementaler Kreisringe zusammenfasst. Wird der Gesamtkreisring in dünnere Ringe gespalten, bestimmen diese Berechnungen iterativ die Längen der Sehnen innerhalb jedes Ringdurchmessers und ziehen die Längen des Innenrings davon ab. Die Faserlängen aller Sehnen jedes Rings werden addiert und durch die inkrementale Fläche des Rings geteilt, um das radiale Faserflächengewicht zu erhalten. Das radiale Faserflächengewicht wird für jeden Ring normiert und die Differenz zu Eins wird verwendet, die Sehnenwinkel abzuändern, um innerhalb des geforderten Toleranzbereichs zu bleiben.
Der zweite Teil des Einstellens einer Sehnenabfolge ist das Aufzeichnen aller gewickelten Fasern um den Kreisring, um die Gleichmäßigkeit des winkeligen Faserflächengewichts zu bestimmen, das das Flächengewicht der Fasern ist, die sich innerhalb der schmalen Keile des Kreises befinden. Dies wird durchgeführt, indem die Schnittstellen der zusammengenommenen Sehnenwinkel auf dem Umfang in x,y-Koordinaten umgewandelt werden und diese als x,y-Streuungsbild mit Verbindungslinien aufgezeichnet werden, wobei handelsübliche Rechnerprogramme wie in 1 verwendet werden. Die bildliche Darstellung des fertig gewickelten Artikels zeigt Bereiche hoher und niedriger Faserdichte. Wiederum werden kleine Änderungen der Winkel, der Wickelabfolge oder der Zusatz kleiner Anpassungswinkel verwendet, um ein gleichmäßiges ringförmiges Faserflächengewicht zu erzielen. 1 ist ein kleiner Abschnitt der mehreren tausend Sehnen, die in einer Wicklung verwendet werden: die sichtbaren Ungleichheiten werden durch die in 5 dargestellte vollständige Wicklungsabfolge korrigiert. 1 zeigt, wie die Verstärkungsfasern auf der Blattebene in einer großen Spannbreite von Ausrichtungen angeordnet sind. Verschiedene Winkelsätze, die jeweils durch ihre sich nicht wiederholende Gesamtsumme versetzt sind, werden benötigt, um das Volumen auszufüllen, das normalerweise einem einzigen Blatt zugeordnet ist, das etwa 0,005 bis 0,100 Zoll dick ist. Qualitätssicherung wird durch eine Konturenmessung des fertigen Teils erreicht, um gleichmäßige Dicke bei vorgegebenem Druck und Aufstandsfläche sicherzustellen.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird ein Vorformling derart hergestellt, dass für verschiedene Ebenen des Vorformlings verschiedene Winkelabfolgen gewählt werden, so dass die Eigenschaften, die in verschiedenen flachen Ebenen der Bremsscheibe benötigt werden, optimiert sind. Diese Ausführungsform bewahrt insgesamt die ausgewogene, symmetrische und im Wesentlichen isotrope Eigenschaft eines Verbundstoffs, die feine Verteilung der Ausrichtungen von Verstärkungsfasern auf der Blattebene ist allerdings durch eine ausgewogene +/– Winkelausrichtung ersetzt. Beispielsweise können alle Sehnen eines großen Winkels auf der mittleren Ebene gruppiert werden, um eine Scheibe zu bilden, die beste Drehmomentseigenschaften aufweist, um mechanische Belastungen zu verkraften, wohingegen Umfangssehnen, die die gewünschten Reibungs- oder Verschleißeigenschaften erzielen, so positioniert werden, dass sie sich auf der Verschleißoberfläche der Reibscheibe befinden. Sehnenwinkel können auf diese Weise positioniert werden, weil die Winkelkombinationen, die den Vorformlings-Innendurchmesser ausfüllen, nur einen kleinen Bruchteil des Materials am Auflendurchmesser bilden, da der Außendurchmesser eine viel größere Umfangsfläche aufweist als der Innendurchmesser. Mit anderen Worten, der kreisförmige Oberflächenbereich des Vorformlings vergrößert sich mit dem Radius. Dadurch überlappen sich Fasern, die als Kreissehnen aufgebracht sind, um den Innendurchmesser zu füllen, und sammeln sich beachtlich in der Nähe des Innendurchmessers an, wohingegen sie am Auflendurchmesser vergleichsweise voneinander beabstandet bleiben. Dies wird als radiales Ausdünnen bezeichnet.
Radiales Ausdünnen ermöglicht, den Vorformling so auszugestalten, dass die Winkel der Verstärkungsfasern bei einer vorgegebenen Dicke am Innendurchmesser, in der Mitte oder am Außendurchmesser unterschiedlich sind, um den physikalischen Anforderungen der Reibscheibe besser zu entsprechen. Beispielsweise können lange Fasersehnen, die den Innendurchmesser kreuzen, in der mittleren Ebene des Vorformlings angeordnet sein. Diese Fasern sammeln sich an und verursachen eine Faseranlagerung am Innendurchmesser und dünnen sich zum Außendurchmesser hin aus. Da der Außendurchmesser eine dünnere Faserlage aufweist, können kurze Umfangssehnen auf einer bestimmten Ebene des Vorformlings in der Nähe des Außendurchmessers angeordnet werden, um den radialen Ausdünnungseffekt auszugleichen. Die Reihenfolge, in der die bevorzugte Gruppe oder Gruppen von Sehnenwinkeln gewickelt werden, gibt an, in welcher Ebene des Vorformlings sich die Gruppe befindet, und die Reihenfolge wird so ausgewählt, dass die Gruppe schließlich die Verschleißlage auf der äußeren Oberfläche des Vorformlings darstellt. Dadurch kann die für Reibung optimale Faserausrichtung auf der mittleren Verschleißoberfläche des Kreisrings positioniert werden, und gleichzeitig ein ausgewogener, symmetrischer und im Wesentlichen isotroper Verbundstoff-Aufbau aufrecht erhalten werden, insbesondere am Innendurchmesser bzw. am Außendurchmesser, wo zur Befestigung Zapfen und/oder Bolzen verwendet werden.
6 stellt eine graphische Ansicht einer gestapelten Sehnenwinkelkonstruktion dar, wobei sie einen Querschnitt durch ein Viertel eines Kreisrings zeigt und die Vielzahl an Sehnenwinkeln offenbart, die in verschiedenen Ebenen des Vorformlings angeordnet sein können. Die linke Seite des Diagramms zeigt den Innendurchmesser des Vorformlings und die rechte Seite stellt den Außendurchmesser dar und die horizontale Achse ist die Mittellinie des Vorformlings. Wie in den Tabellen 6B, 6C und 6 dargestellt umfasst der Innendurchmesser Fasern, die in vier Sehnenwinkeln abgeordnet sind – 145°, 149,1°, 153,7° und 152,85°. Etwa 11% der Fasern sind bei 145°, 26,5 bei 149,1°, 32,5% bei 153,7° und 30% bei 152,85° abgelegt. Wenn das Balkendiagramm des Vorformlings vom Innendurchmesser zum Außendurchmesser übergeht, nimmt die Vielzahl verwendeter Sehnenwinkel auf 20 zu, und es werden kurze Umfangssehnenwinkel, wie 62°, 73° und 92° in ausgewählten Ebenen des Vorformlings hinzugefügt, um deren Wirksamkeit als strukturelle Verstärkung oder als Verschleißlage zu maximieren.
Das im ersten Verfahren hergestellte Sehnenvlies hat für die meisten Anwendungen im Allgemeinen eine Dicke von 12,7–102 mm (etwa 1/2 Zoll bis etwa 4 Zoll), bevorzugt 19–76 mm (etwa 3/4 Zoll bis etwa 3 Zoll). Die Dicke des Vlieses wird teilweise durch praktische Überlegungen begrenzt. Insbesondere ist das Vlies dazu vorgesehen, weiter verändert zu werden, um durch eine Vernadelung eine dreidimensionale Verstärkung zu erzielen. Derartige Vernadelungen erfordern im Allgemeinen die Verwendung von Nadeln einer Länge, die ausreicht, mehr als 90% der Vliesdicke zu durchstoßen. Bei Vliesen übergroßer Dicke kann die Kraft, die zum Durchstoßen der gewünschten Dicke nötig ist, zu häufigen Nadelbrüchen führen. Darüber hinaus sind Nadeln, die eine Dicke von 4 Zoll und mehr durchstoßen können, im Allgemeinen nicht handelsüblich und müssen deshalb extra angefertigt werden, wodurch zusätzliche Kosten für die Herstellung des Vorformlings entstehen.
Der Vorgang des Vernadelns ist in der Vliesstoffherstellung eine herkömmliche Methode, und wird im Allgemeinen mit mehreren Nadeln ausgeführt, die einen Schaft umfassen, der nach außen vorstehende Haken aufweist. Die Nadeln sind so befestigt, dass sie paarweise bei der Vernadelung verwendet werden können, wobei das Vernadeln durch Hin- und Herbewegen der Nadeln normal zur Vliesoberfläche ausgeführt wird, wodurch die Nadeln wiederholt in oder durch das Vlies gestoßen werden. Die Haken ergreifen Fasern beim Durchstoßen des Vlieses und bewirken, dass ein Teil der Fasern im Vlies vertikal ausgerichtet wird. Dieses Vlies wird zwischen den Nadeldurchstichen schrittweise weiterbewegt, um ein gleichmäßiges Verfilzen des Vlieses zu erreichen.
Zum Zweck dieser Erfindung werden bevorzugt Nadeln ausreichender Länge ausgewählt, um das Vlies niedriger Dichte im Wesentlichen in der Vernadelungsrichtung zu durchstoßen, bevorzugt von 80% bis mehr als 100% der Vliesdicke. Die Nadeldichte wird so gewählt, dass sie eine vertikale Faserausrichtung bei Dichten erzielt, die zur Verstärkung des Vorformlings in Dickenrichtung ausreichen. In der Praxis werden die Nadeln in von der Mitte aus gemessenen Abständen von 0,9 bis 1,2 cm postiert, wobei andere Nadeldichten verwendet werden können, wenn sie für das Endprodukt geeignet sind.
Der Vorgang der Vernadelung verringert im Allgemeinen die anfängliche Dicke des Faservlieses um 10 bis 40%, je nach Grad des durchgeführten Vernadelungsprozesses. In den meisten Anwendungen ist der Grad des durchgeführten Verfilzungsvorgangs ausreichend, eine beachtliche Anzahl an Fasern neu auszurichten, wodurch die Struktur eine dreidimensionale Verstärkung erfährt und dreidimensional isotrope Eigenschaften erhalten kann. Die Festigkeitseigenschaften und der Zusammenhalt des Vorformlings werden durch den Verfilzungsvorgang deutlich verbessert, und dies ermöglicht nachfolgende Behandlungen, einschließlich Lagerung, Verpackung und Versand, sowie die Verwendung von Imprägnierungs- und Durchdringungsverfahren, ohne dass eine weitere Verfestigung erforderlich ist.
Um eine größere Einheitlichkeit innerhalb der vernadelten Struktur zu erreichen, besonders bei Vliesen und ähnlichen im Wesentlichen ebenen Strukturen, kann es erwünscht sein, dass die Struktur auf beiden Seiten einer Vernadelung unterzogen wird, indem die Struktur umgedreht und die Gegenseite präsentiert wird, um einer weiteren Vernadelung unterzogen zu werden, oder durch ein abwechselndes Vernadeln von einer Seite zur anderen. Wie anhand untenstehender Beispiele besser ersichtlich, kann die Technik des Vernadelns von beiden Seiten, wenn sie mit einer gezielten Veränderung der Vernadelungstiefe kombiniert wird, auch Mittel bereitstellen, die den Grad der Verstärkung innerhalb der Struktur steuern und dadurch Strukturen bereitstellen, die über ihre Dicke hinweg unterschiedliche Verstärkungsgrade aufweisen.
Normalerweise wird bei der Bearbeitung ein Teil der Filamente, aus denen das Vlies besteht, von den Haken ergriffen und als Filamentbündel in z- oder Dickenrichtung neu ausgerichtet. Der Teil der Filamente, der von den Haken nicht ergriffen wird, wird von den Nadeln quer in der x-y-Ebene verzogen und bildet dadurch Öffnungen in der Struktur bis zur Tiefe der Nadeln. Die Filamentbündel, die durch das Vernadeln entstehen, unterscheiden sich stark in der Anzahl der Filamente, je nach der ursprünglichen Zusammensetzung des Fadenwergs und dem Grad der durchgeführten Vernadelung. Strukturen, die Filamentbündel mit 25 bis 1000 Filamenten aufweisen, können einfach hergestellt werden, wohingegen auch Strukturen mit Bündeln, die nur 10 bis 75 Filamente aufweisen, oder gar Bündel, die 250 bis zu 4.000 umfassen, entstehen können.
Das wiederholte Einstechen durch den Vernadelungsvorgang dient dem Zusammendrücken und somit Verdichten der Struktur bis zu einem gewissem Grad, wobei gleichzeitig Fasern innerhalb der Scheibenebene verteilt werden. Diese Bearbeitung des Faserwergs glättet den Übergang der Faserausrichtung zwischen aneinandergrenzenden Bereichen. Wie bereits erwähnt, werden die verwendeten Nadeln so ausgewählt, dass sie Öffnungen oder Kanäle beachtlicher Größe in dem Vlies erzeugen, wobei die neu ausgerichteten wergfilamente durch diese Kanäle verlaufen. Die großen Kanäle erhöhen die effektive Porosität der Struktur und ermöglichen einen verbesserten Zugang zum Inneren des Vlieses, erhöhen den Grad der Kohlenstoffablagerung, der in nachfolgenden Verfahrensschritten der Kohlenstoffdurchdringung erzielt werden kann, oder für die Imprägnierung mit geeigneten Kohlenstoff-Vorproduktmaterialien. Die verbesserte Porosität ist besonders vorteilhaft bei der Herstellung dicker Teile, die im Allgemeinen mehr als 1 Zoll betragen, weil beim Durchdringen niedrigporöser Vorformlings-Strukturen mit Matrixkomponenten, wie beispielsweise CVD-Kohlenstoff, häufig Ablagerungen an den Oberflächenlagen entstehen, die eine weitere Verdichtung im Inneren der Struktur verhindern.
Gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform wird der Sehnen-Vorformling durch Vernadelung des Vlieses aus fortlaufenden Fasern hergestellt. In dieser Ausführungsform ergreifen die Haken das fortlaufende Werg und bewirken, dass es in vertikaler Richtung umorientiert wird. Obwohl dies bewirkt, dass einige der Verstärkungsfilamente brechen, behält die Konstruktion aus fortlaufendem Werg einen Höchstgrad an Faserlänge, Ausrichtung und folglich Verbundstoffeigenschaften.
In einer anderen Ausführungsform werden zerhackte Wergfasern über die Oberfläche des Sehnenvorformlings verteilt. Die zerhackten Fasern liefern Fasern, die einfach mitgeführt werden können, um die Nadelhaken zu füllen. Diese zusätzlichen Fasern minimieren Beschädigung und Neuorientierung der Sehnenstruktur. Diese Ausführungsform weist den zusätzlichen Vorteil auf, dass für die zerhackten Fasern eine zweite Faserart verwendet werden kann, um einen Mischverbundstoff zu bilden. Beispielsweise können PAN-Fasern als fortlaufende Fasern in der x-y-Ebene verwendet werden und Pechfasern als die zerhackten Fasern, die vernadelt und in z-Richtung neu ausgerichtet werden, oder umgekehrt. Das Trennen der Fasern durch ihre Ausrichtung ermöglicht dem Gestalter des Vorformlings, Leistungskriterien zu optimieren, die gerichtete Leitfähigkeiten, d. h. durch die Dicke, aufweisen.
Der vernadelte, in Wärme aushärtbare Vorformling aus Pechfasern wird im Allgemeinen karbonisiert, um eine poröse Kohlenstoffstruktur oder einen Vorformling zu erzeugen, der für Durchdringungs- oder Imprägnierungs- und Karbonisierungsverfahren verwendet wird, was die Herstellung hochfester, faserverstärkter Verbundartikel aus Kohlenstoff oder Graphit vollendet. Für diesen Zweck können Karbonisierungsvorgänge verwendet werden, die gewöhnlich für derartige Strukturen gemäß dem Stand der Technik angewendet werden. Im Allgemeinen kann der Vorformling karbonisiert werden, ohne dass er fixiert werden muss, indem er in einer inerten, nichtoxidierenden Atmosphäre mit eine Erwärmungsrate erhitzt wird, die aufgrund der Größe des Vorformlings und des Materials der Konstruktion ausgewählt wurde. Gemäß dem Stand der Technik werden gewöhnlich Erwärmungsraten im Bereich von etwa 25 bis 100°C pro Stunde bis zur endgültigen Temperatur verwendet, und der Vorformling kann auf dem gewählten endgültigen Temperaturniveau für eine unterschiedliche Zeitdauer von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden gehalten werden, um den Karbonisierungsschritt zu vollenden. Zeitdauer und Temperatur hängen dabei vom Grad der gewünschten Auskohlung ab. Ein Fachmann für Kohlenstofffasern ist mit diesen Verfahren vertraut. In den meisten Vorformlingen, die aus in Wärme aushärtbaren Vorprodukten aus Pechfasern bestehen, ergibt sich durch den Karbonisierungsvorgang eine Schrumpfung von 3–10%. Die karbonisierten Vorformlinge weisen im Allgemeinen eine nominale Rohdichte von 0,4 bis 0,7 g/cm³ auf.
Obwohl sich die Diskussion auf die Verwendung fortlaufender Pechfasern konzentriert, wird ein Fachmann selbstverständlich erkennen, dass andere Fasern, wie PAN, Glas- und hochfeste Kunstharzfasern, ebenfalls als fortlaufende Fasern verwendet werden können, die um die Spindel gewickelt werden, um einen Sehnenvorformling zu bilden. Der Sehnenvorformling würde dann in ein geeignetes Matrixmaterial eingebettet werden.
Die erfindungsgemäßen porösen Kohlenstoffstrukturen liefern, wenn sie in ein beliebig ausgewähltes Matrixmaterial, einschließlich in Wärme aushärtbarer und thermoplastischer Kunstharze, Metalle, Kohlenstoffe und Keramiken, eingebettet werden, einen besonders attraktiven Verbundstoff. Eine große Vielzahl an in Wärme aushärtenden Kunstharzsystemen und -verbindungen sind bekannt, die bei der Herstellung von mit Kohlenstofffasern verstärkten Verbundstoffen als Kunstharze für die Matrix verwendet werden können, und sind einfach im Handel zu erwerben, einschließlich Epoxidharze, Zyanatharze, Phenolharze, Bismaleimidharze und Ähnliche und ebenso Mischungen und Reaktions-Zwischenprodukte, die darauf aufbauen. Die meisten derartigen in Wärme aushärtbaren Kunstharze werden sich, wenn sie bei Anwendungstemperatur als Flüssigkeiten formuliert sind und für die Imprägnierung poröser Matrizen eine ausreichend geringe Zähigkeit aufweisen, in der Herstellung von Verbundstoffen mit den erfindungsgemäßen porösen Kohlenstoff-Strukturen als nützlich erweisen. Geeignete thermoplastische Kunstharze und die bevorzugten Verfahren zum Durchdringen werden sich auch bei der Herstellung von Verbundprodukten, die die Artikel der Erfindung verwenden, als nützlich erweisen, auch wenn sie im Allgemeinen schwieriger zu benutzen sind. Ebenso wurden Methoden und Verfahren zum Durchdringen poröser Kohlenstoffkörper mit geschmolzenen Metallen, einschließlich Kupfer, Aluminium, Zinn, Silber, Nickel und Ähnlichem, sowie Legierungen, wie Messing, entwickelt und sind in der Verbundstofftechnik allgemein bekannt, und diese Verfahren können mit den erfindungsgemäßen porösen Kohlenstoffvorformlingen bei der Herstellung Metallmatrix-Verbundstoffen angewendet werden. Verfahren zum Durchdringen zahlreicher poröser Strukturen mit keramischen Materialien und Vorprodukten, einschließlich Siliziumoxid, Siliciumcarbit und Siliziumnitrid wie auch zahlreicher anderer Nitride, Oxide und Ähnlichem, sind in der Technik ausführlich beschrieben und können ebenfalls in geeigneter Weise für die Verwendung mit den erfindungsgemäßen Kohlenstoffvorformlingen angepasst werden, um Keramik-Kohlenstofffaser-Verbundstoffe zu erhalten.
Wenn sie für die Herstellung von Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoffen verwendet werden, werden die porösen Kohlenstoffstrukturen einem Durchdringungsvorgang ausgesetzt, beispielsweise den pyrolytischen Ablagerungs- und Durchdringungsverfahren, die allgemein in der Technik der Kohlenstoffmatrix-Verbundstoffe verwendet werden. Im Allgemeinen handelt es sich hier um herkömmliche Verfahren und hierfür kann ein beliebiger Bedampfungsofen verwendet werden, der einen Temperaturbereich von etwa 700°C bis etwa 1900°C aufweist. Beispielsweise kann pyrolytischer Kohlenstoff aus einem kohlenstoffhaltigen Gas, wie Methan, Ethan, Propan oder Butan, abgeschieden werden, das unter Wärmeeinwirkung zerfällt. Das kohlenstoffhaltige Gas wird bevorzugt mit einem inerten Gas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, verdünnt, um das Eindringen in den Artikel zu erleichtern. Im Allgemeinen ist ein Verhältnis von etwa 1 Volumenanteil kohlenstoffhaltigen Gases zu etwa 10 Volumenanteile inerten Gases zur Verwendung geeignet. Ein Verhältnis von etwa 1 : 1 bis etwa 1 : 6 hat sich als äußerst nützlich erwiesen. Das kohlenstoffhaltige Gas kann auch in einen evakuierten Ofen geleitet werden, und in diesem Fall kann auf das Verdünnungsgas verzichtet werden oder die Menge des inerten Gases kann beachtlich reduziert werden.
Die Zeitdauer, die benötigt wird, die geformte poröse Kohlenstoffstruktur wirksam zu durchdringen, hängt von verschiedenen Faktoren ab, wie dem Volumen der Struktur, der Porosität, der Dichte, der Strukturform, der Fasergröße und Faserausrichtung, sowie der Fließgeschwindigkeit des Gases, der Abscheidungstemperatur und dem Ofendruck.
Diese Variablen können mit der in der Technik zur Herstellung von Kohlenstoffverbundstoffen üblichen Praxis empirisch ermittelt werden. Nach dem Einsickern des Gases lässt man die Anordnung auskühlen und wiederholt eventuell den Vorgang, um den Kohlenstoffgehalt und die Dichte des Kohlenstoff-Verbundartikels zu erhöhen.
Alternativ kann der poröse Kohlenstoffvorformling unter Druck mit einem geeigneten, karbonisierbaren Füllmaterial imprägniert werden, wie Pech oder kohlenstoffhaltigem Kunstharz. Der Artikel kann dann unter Druck ausgehärtet werden und nach dem Aushärten unter Verwendung einer Schutzatmosphäre aus Stickstoff bei atmosphärischem Druck gebrannt werden. Beim Brennvorgang wird die Temperatur des Körpers schrittweise von der Aushärtungstemperatur auf bis zu 1000°C erhöht. Die Geschwindigkeit des Temperaturanstiegs ergibt sich weitgehendst aus der Größe des zu brennenden Artikels. Große Artikel können einen langsameren Temperaturanstieg als kleinere Artikel erfordern, um die Temperatur über den Artikel hinweg gleich zu halten und dadurch schädliche innere Spannungen zu vermeiden, die durch ungleichmäßiges Erwärmen des Artikels hervorgerufen werden. Nach Abschluss der Imprägnierungs-, Aushärtungs- und Brennschritte kann die Form wiederum in ein Vakuum gebracht und erneut imprägniert, ausgehärtet und gebrannt werden. Die Anzahl der Imprägnierungs-, Aushärtungs- und Brenndurchläufe wird durch die Dichte bestimmt, die im fertigen Artikel erreicht werden soll.
Nach Abschluss der gewünschten Durchläufe an Imprägnierungs-, Aushärtungs- und Brennschritten kann der Artikel karbonisiert oder graphitiert werden. Eine Wärmebehandlung kann in einem einzigen Aufheizungsschritt oder in einzelnen Stufen auf eine Temperatur von 1200– 3500°C durchgeführt werden, um karbonisierte oder graphitierte erfindungsgemäße Kohlenstoffartikel zu erhalten. Die Wärmebehandlung wird in einer im Wesentlichen reaktionsunfähigen Atmosphäre durchgeführt, um sicherzustellen, dass der Artikel nicht verbrennt. Bei der reaktionsunfähigen Atmosphäre kann es sich um Stickstoff, Argon oder Helium handeln; bei Temperaturen oberhalb von etwa 2000°C werden allerdings Argon und Helium bevorzugt. Obwohl die reaktionsunfähige Atmosphäre einen kleinen Anteil Sauerstoff enthalten kann, ohne größeren Schaden zu verursachen, besonders dann, wenn die Temperatur nicht zu schnell ansteigt, sollte die Anwesenheit von Sauerstoff vermieden werden. Darüber hinaus erzeugen nasse Garnstrukturen eine Dampfatmosphäre, wenn sie erhitzt werden, die vor dem Erreichen der Karbonisierungstemperatur vom Ofen abgesaugt werden sollte, da Dampf bei solchen Temperaturen leicht reagiert. Es kann gewünscht sein, Bor oder andere ähnliche graphitierende Bestandteile in die Atmosphäre des Ofens einzubringen, und diese werden als reaktionsunfähige Stoffe im Sinne der vorliegenden Erfindung betrachtet.
Das Erwärmen des Vorformlings kann in einem einzigen Schritt ausgeführt werden oder alternativ in einer Reihe von Schritten oder Stufen durchgeführt werden, in denen ein Abkühlen und Lagern von Zwischenprodukten, wie gefüllte Vorformlinge und karbonisierte Strukturen, zur weiteren Verarbeitung zu einem späteren Zeitpunkt stattfindet. Die Endtemperatur der Wärmebehandlung hängt hauptsächlich von der endgültigen Anwendung ab. Beispielsweise kann für einen Artikel, der extreme Temperaturen aushalten muss, die Wärmebehandlung unter sehr hohen Temperaturen durchgeführt werden, 2600°C oder mehr, und bei Anwendungen, in denen ein hoher Grad an Graphitierung gewünscht ist, sogar Temperaturen von 3500 °C erreichen. Die Wärmebehandlung kann mit oder ohne Ausübung eines Außendrucks stattfinden, um das Verdichten zu unterstützen und somit dichtere Verbundstoffe zu erzielen.
Es ist für einen Fachmann selbstverständlich, dass die bestimmte Wärmebehandlung, die verwendet wird, durch die Größe und Geometrie des Teils bestimmt wird, das hergestellt wird.
Bei großen Teilen erfolgt die Wärmeleitung ins Innere des Teils zwangsläufig langsam und dadurch können lange Erwärmungsdurchläufe und langsame Temperaturanstiege erwünscht sein.
Obwohl es im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegt, verstärkte Kohlenstoff-Kohlenstofffaser- oder graphitierte Artikel niedrigerer Dichte herzustellen, beispielsweise unter 1,4 g/cm³, liegt die bevorzugte Dichte in einem Bereich von etwa 1,6 bis etwa 2,1 g/cm³. Erfindungsgemäße Kohlenstoff-Kohlenstofffaser-Verbundstoffe weisen ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf, was wesentlich auf die Verwendung von fortlaufenden, auf Pech basierenden Fasern bei der Herstellung des Faser-Vorformlings zurückzuführen ist. Die besonders gute Wärmeleitfähigkeit, die beobachtet wird, hängt teilweise von der Temperatur der abschließenden Karbonisierung ab, die wiederum den Grad der Graphitierung bestimmt. Bei einer Karbonisierung bei einer Temperatur von mehr als 2000°C, können Verbundstoffe mit einer Dichte von mehr als 1,6 g/cm³, die karbonisierte Vorformlinge umfassen, die in einer erfindungsgemäßen Kohlenstoffmatrix eingebettet sind, eine Wärmeleitfähigkeit aufweisen, die in Dickenrichtung mehr als 80 Watt/m°K beträgt.
Die Erfindung wird anhand der folgenden spezifischen Beispiele besser verständlich, die die genaue Art und Weise im Einzelnen erläutern, in der die erfindungsgemäßen Verfahren ausgeführt werden können. Die Beispiele sind ausschließlich zur Darstellung angeführt und sollen nicht als den Umfang der Erfindung auf eine bestimmte Verfahrenseinzelheit oder auf einen dargestellten Artikel begrenzend verstanden werden.
Beispiel 1: Ein Vorformling wurde unter Verwendung eines 2000-fädigen Wergs einer an der Luft oxidierten, unter Wärme ausgehärteten, mittelphasigen Pechfaser hergestellt, das ein Zwischenprodukt der P25 Thornel^® Kohlenstofffaser, ist. Eine vertikale Spindel, die einen Stiftdurchmesser von 317 mm (12,5 Zoll) aufweist, wurde unter Verwendung der Sehnenabfolge nach Tabelle 2 bespannt, um einen Vorformling zu bilden, der einen Außendurchmesser (A. D.) von mehr als 305 mm (12 Zoll), einen Innendurchmesser (I. D.) von etwa 102 mm (4 Zoll) und eine Dicke von etwa 41 mm (1,6 Zoll) aufweist. Nach vier Wicklungen eines einzelnen Wergs wurden drei Stränge nebeneinander liegend gewickelt, bis insgesamt 84 Durchläufe eines einzelnen Wergs fertig gestellt waren. Das gewickelte Vlies wurde von der Spindel entfernt und 200 Gramm Deionat wurde hinzugefügt, um die Bearbeitbarkeit und die Verfilzungsverdichtung zu verbessern. Das Gesamtgewicht von Vlies und Wasser lag bei 2034 Gramm. Der Innendurchmesser wurde so zurechtgeschnitten, dass er in die Vernadelungsform passte, wodurch sich ein Nassgewicht von 1900 Gramm ergab.
Das Vlies wurde in eine ringförmige Form gelegt, die einen Innendurchmesser von 118 mm (4,63 Zoll) und einen Außendurchmesser von 32 mm (12,63 Zoll) sowie eine ausreichende Tiefe aufwies, um einen ringförmigen Kompressionsschuh einführen zu können, der hinsichtlich Innendurchmesser und Außendurchmesser Spiel hatte. Die Verfilzung wurde gemäß der US-Patentschrift Nr. 5,705,008 durchgeführt. Der Schuh wurde auf eine Innenhöhe von 38 mm (1,48 Zoll) abgesenkt. Verfilzungsnadeln, Foster F20 8-22-3B 2B/E 15 × 18 × 36 × 3,5 SBA, wurden in einem radialen Muster von 0,71 Nadeln pro cm² (4,59 Nadeln pro Quadratzoll) verteilt auf einem Stoßkopf angebracht und so eingestellt, dass sie bis auf 0,025 Zoll der Rückseite des Vlieses eindrangen, um die Fasern zu verschlingen. Das Vlies wurde mit 113,62 Durchstichen pro Quadratzentimeter (NPSC) (733 Durchstichen pro Quadratzoll (NPSI)) bei einer Drehgeschwindigkeit von 0,4 U/min verfilzt. Das Vlies wurde dann umgedreht und auf 120,13 Durchstiche pro Quadratzentimeter (775 Durchstiche pro Quadratzoll) vernadelt. Der Vorformling wurde geprüft und der Vernadelungsvorgang wurde mit weiteren 146,79 Durchstichen pro Quadratzentimeter (947 Durchstichen pro Quadratzoll) pro Seite wiederholt, um die fertige Nadelfilzdichte von 266,76 Durchstichen pro Quadratzentimeter (1721 Durchstiche pro Quadratzoll) pro Seite zu erhalten.
Der Vorformling wurde durch Erwärmen in einer Stickstoffatmosphäre karbonisiert, die Temperatur wurde mit einer Rate von 50°C/h auf 800°C und mit 75C/h auf 1235°C erhöht, wobei diese Temperatur eine Stunde lang gehalten wurde. Der karbonisierte Vorformling war fest, mit gutem Zusammenhalt. Schrumpfung und Masse- und Wasserverlust ergaben ein Endgewicht von 1 223 Gramm, einen Innendurchmesser von 103 mm (4,055 Zoll), einen Auflendurchmesser von 302 mm (11,90 Zoll) und eine Dicke von 35 mm (1,39 Zoll). Die Rohdichte betrug 0,55 g/cm³.
Dieser Vorformling wurde unter Verwendung von chemischer Bedampfung verdichtet, um einen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Artikel zu bilden, der eine Dichte von 1,70 g/cm³ aufwies. Er war im Wesentlichen isotrop mit einer Zugfestigkeit in Umfangsrichtung und einem Modul von 30,3 MPa und 33,8 GPa (4,4 ksi und 4,9 msi) bzw. einer radialen Zugfestigkeit und einem Modul von 26 MPa und 37,9 GPa (3,9 ksi und 5,5 msi).
Beispiel 2: Ein Vorformling wurde unter Verwendung eines 4000-fädigen Wergs einer an der Luft oxidierten, unter wärme ausgehärteten mittelphasigen Pechfaser hergestellt, das ein Zwischenprodukt der P25 Thornel^® Kohlenstofffaser ist. Eine horizontale Spindel mit einem Durchmesser von 318 mm (12,5 Zoll) mit radial verlaufenden Stiften wurde mit Sehnenabfolgen gemäß Tabelle 3 bespannt und später gemäß Tabelle 4, um einen Vorformling herzustellen, der einen Außendurchmesser von mehr als 305 mm (12 Zoll) und einen Innendurchmesser von etwa 102 mm (4 Zoll) und eine Dicke von etwa 41 mm (1,6 Zoll) aufweist. Mit einem Elektromagneten aktivierte Führungsrohre wurden verwendet, um das Faserwerg durch die Stifte zu ziehen, wobei die gleiche Strangabfolge auf beiden Seiten der Spindel, oben und unten, gewickelt wurde. Die Sehnenwinkel wurden mit einem drehbaren Codiergerät verfolgt, um die kumulative Genauigkeit sicherzustellen.
Nach sieben Sätzen einzelner Strangwicklungen wurden zwei Stränge parallel nebeneinander gewickelt, bis insgesamt 21 obere und untere Sehnenabfolgen eines einzelnen Wergs fertig gestellt waren. Nach der 9-ten Abfolge wurde eine Anpassung der Sehnenwinkel vorgenommen, um die Verschiebung des Durchmessers auszugleichen, die durch das Ansammeln der Faser an der äußeren Kante der Spindel entstand. Das gewickelte Vlies wurde von der Spindel entfernt und nach der 8ten, 10ten, 12ten und 14ten Abfolge gestapelt, um die Zunahme des Außendurchmessers beim Wickeln zu begrenzen. Deionat wurde zugefügt, um die Verarbeitbarkeit und die Verfilzungsverdichtung zu verbessern. Das Vlies wurde so zurechtgeschnitten, dass es in die 321 mm (12,625 Zoll) Form passt, und zur vollen Dicke aufgestapelt. Das Vlies wurde in die Form gelegt und wie in Beispiel 1 auf insgesamt 2237 NPSI vernadelt. Der fertige, vernadelte Vorformling war steif, dicht und flach. Der Innendurchmesser wurde auf 110 mm (4,36 Zoll) geschnitten, der Außendurchmesser auf 322 mm (12,66 Zoll), die Dicke betrug 40 mm (1,58 Zoll) und das (Nass-)Gewicht lag bei 2010 Gramm.
Der Vorformling wurde durch Erwärmen in einer Stickstoffatmosphäre karbonisiert, die Temperatur wurde mit einer Rate von 50°C/h auf 800°C und mit 75°C/h auf 1235°C erhöht, wobei diese Temperatur eine Stunde lang gehalten wurde. Der karbonisierte Vorformling war hart und wies guten Zusammenhalt auf. Schrumpfung und Masse- und Wasserverlust ergaben ein Endgewicht von 1 310 Gramm, einen Innendurchmesser von 104 mm (4,10 Zoll), einen Außendurchmesser von 308 mm (12,12 Zoll) und eine Dicke von 38 mm (1,49 Zoll). Die Rohdichte betrug 0,524 g/cm³.
Dieser Vorformling wurde mit einem Epoxidkunstharz mit niederem Modul (EPON 828/Jeffamine 230) verdichtet und mechanisch getestet, wobei sich eine tangentiale Zugfestigkeit und ein Modul von 88 MPa bzw. 15,8 GPa (12,8 ksi und 2,3 msi) ergaben.
Wird ein Wert verwendet, der dem 0,45-Fachen des unidirektionalen Verbundstoffmoduls entspricht, um den isotropen Modul eines ebenen isotropen Verbundstoffs zu schätzen, so kann die Translationseffizienz des Zugelastizitätsmoduls mit der folgenden Gleichung berechnet werden:
Translationseffizienz (%) = (gemessener axialer Modul/ berechneter Modul) × 100
Berechneter Modul = [Fasermodul × ebener Faservolumenanteil × ebener isotroper Faktor]
(Fasermodul = 17,2 Gpa (25 msi) (P25 Faser)
Ebener Faservolumenanteil = 0,524 g/cm³ Vorformling/ 1,93 g/cm³ Faser – 'Z'Faser
'Z' Faser geschätzt = 10% (0,025 Volumenanteil).
Translationseffizienz = 2,3/(25 msi × 0,244 ebene Vff × 0,45) × 100 = 83,7%. (siehe oben für msi/GPa Umrechnung)
Beispiel 3: Ein Vorformling wurde unter Verwendung von sechs 4000-fädigen Wergen einer an der Luft oxidierten, unter Wärme ausgehärteten mittelphasigen Pechfasern hergestellt. Eine horizontale Spindel mit einem Durchmesser von 18,9 Zoll mit radial verlaufenden Stiften wurde unter Verwendung der 99-ten Sehnenabfolge gemäß Tabelle 5 gewickelt. Zwei Sätze aus drei parallelen Führungsrohren, die von Elektromagneten angetrieben wurden, wurden verwendet, um das Faserwerg durch die Stifte zu spannen und dabei gleichzeitig die Sehnenabfolgen auf sowohl der oberen als auch der unteren Seite der Spindel zu wickeln. Die Sehnenwinkel wurden mit einem drehbaren Codiergerät verfolgt, um die kumulative Genauigkeit sicherzustellen. Insgesamt wurden 44 Abfolgen von je sechs Strängen verwendet, die Zwischenproduktvliese mit einer Dicke von zwölf Abschnitten wurden abgeschnitten und gestapelt, um die Zunahme des Außendurchmessers beim Wickeln zu begrenzen.
Deionat wurde zugegeben, um die Bearbeitbarkeit und die Verfilzungsverdichtung zu verbessern. Das Vlies wurde zurechtgeschnitten, um in eine Form mit einem Innendurchmesser von 251 mm (19,1 Zoll) zu passen. Die Vliessegmente wurden in die Form gelegt, die 150 Gramm gleichmäßig verteilte, 4 Zoll lange, geschnittene Fasern enthielt, und mit weiteren 150 Gramm derselben bedeckt. In einer Herstellungsmaschine, die das in der US-Patentschrift 5,705,008 beschriebene Verfahren verwendet, wurde das Vlies abwechselnd auf beiden Seiten mit Foster F20-9-32-8NK/LI/CC/BL30MM 15 × 18 × 25 × 4 × 4 CB – Nadeln vernadelt, wobei es schrittweise nach den einzelnen Nadeleinstichen gedreht wurde. Der Nadelhub wurde auf 1 mm (0,035 Zoll) weniger als die Durchstoßlänge eingestellt und die NPSI, die insgesamt erreicht wurde, lag bei 750 Einstichen pro Seite. Der fertige vernadelte Vorformling war steif, dicht und flach, wobei die geschnittenen Fasern bevorzugt in den Filz hineingetrieben wurden. Der Vorformling wies einen Innendurchmesser von 170 mm (6,68 Zoll), einen Außendurchmesser von 485 mm (19,1 Zoll), eine Dicke von 37 mm (1,475 Zoll) und ein (Nass-) Gewicht von 4676 Gramm auf.
Beispiel 4: Ein Vorformling wurde unter Verwendung von drei 2000-fädigen Wergen aus einer an der Luft oxidierten, unter Wärme ausgehärteten mittelphasigen Pechfaser hergestellt. Eine horizontale Spindel mit einem Durchmesser von 200 mm (7 7/8 Zoll) mit radial verlaufenden Stiften wurde unter Verwendung der Sehnen gemäß Tabelle 6A und der Abfolge von Tabelle 6C gewickelt. Drei parallele Führungsrohre wurden verwendet, um das Faserwerg durch die Stifte zu spannen und dadurch eine Sehnenabfolge auf beiden Seiten der Spule zu wickeln. Die Sehnenwinkel wurden in einen Haas HASC CNC-Rundschalttisch programmiert und durch diesen aktiviert, und das Garn wurde von einem 45° getakteten drehbaren Elektromagneten von Lucas, der mit einem programmierbaren Steuerungsrechner verbunden war, durch die Stifte gefädelt. Als 990 Sehnenabfolgen fertiggestellt waren, wurde das Vlies von der Spindel abschnitten und unter Beibehaltung der ursprünglichen Ausrichtung der oberen und unteren Wicklungen wieder zusammengefügt.
Tabelle 6A, 6B und 6 beschreiben die Struktur des Vorformlings. Die erste Spalte von 6A gibt an, wie oft jede Sehne verwendet wird, um einen Vorformling pro Seite der Spindel gleichmäßig auszufüllen. Dies unterscheidet sich von vorhergehenden beispielhaften Abfolgen, die jeden Sehnenwinkel gleich oft verwenden. Tabelle 6B umfasst den Prozentsatz an Fasern, die pro Sehnenwinkel einen inkrementalen Kreisring ausfüllen. Tabelle 6C fügt jedem Sehnenwinkel einen Sortierungswert hinzu und wird verwendet, die 6 zu erstellen, die ein Viertel eines Querschnitts des Vorformlings darstellt, der den Aufbau des Vlieses zeigt. Die Sortierungswerte jeder Sehne wird so angepasst, dass eine bestimmte Sehne oder ein Sehnensatz auf einer bestimmten Dicke im fertigen Vorformling dort abgelegt wird, wo sie/er für die Verbundstoffstruktur des Vorformlings am wirkungsvollsten ist. 5 ist eine vollständige Musterzeichnung von Fasern, die in allen Sehnenwinkeln angeordnet sind, die in Beispiel 4 verwendet wurden.
Deionat wurde hinzugefügt, um die Bearbeitbarkeit und Verfilzungsverdichtung zu verbessern. Das Vlies wurde zurechtgeschnitten, um in eine Form mit einem Innendurchmesser von 198 mm (7,8 Zoll) zu passen, die einen Filzboden und Beilagenblechseitenwände aufwies. Die Verfilzungsnadeln, Foster F20 8-22-3B 2B/E 15 × 18 × 36 × 3,5 SBA, die mit 0,50 Nadeln pro Quadratzentimeter (3.225 Nadeln pro Quadratzoll) in einem orthogonalen Zufallsmuster verteilt auf einem Stoßkopf befestigt waren, wurden so eingestellt, dass sie 5 mm (0,196 Zoll) weit durch die Rückseite des Vlieses hindurch stachen, um die Fasern zu verschlingen. Das Vlies wurde auf 650 Einstiche pro Quadratzoll (NPSI) gefilzt, umgedreht, und erneut auf 650 NPSI gefilzt.
Der fertige, vernadelte Vorformling war steif, dicht und flach. Die physikalischen Maße des Vorformlings waren: Innendurchmesser = 1,50 Zoll, der Außendurchmesser betrug 200 mm (7,9 Zoll), die Dicke 10,4 mm (0,41 Zoll) und das (Nass-)Gewicht betrug 225 Gramm. Der Vorformling wurde unter Erwärmen bei einer Rate von 50°C/h auf 800°C und 75°C/h auf 1235°C in einer Stickstoffatmosphäre karbonisiert und auf dieser Temperatur eine Stunde lang gehalten. Der karbonisierte Vorformling war fest und wies guten Zusammenhalt auf. Schrumpfung und Masse- und Wasserverlust führten zu einem Gewicht des Fertigprodukts von 136 Gramm, einem Innendurchmesser von 31,7 mm (1,25 Zoll), einem Außendurchmesser von 193 mm (7,6 Zoll) und einer Dicke von 8,9 mm (0,33 Zoll). Die Rohdichte betrug 0,55 g/cm³.
Dieser Vorformling wurde unter Verwendung chemischer Bedampfung verdichtet, um einen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Artikel mit einer Dichte von 1,81 g/cm³ herzustellen. Artikel, die diesem ähnlich hergestellt waren, wurden bewertet und es hat sich herausgestellt, dass sie gute Festigkeit und die gewünschte Reibung für die Anwendung als Hochenergie-Reibsscheiben aufwiesen.
Vergleichsbeispiel 1: Ein Vorformling wurde gemäß US-Patentschrift Nr. 5,705,008 unter Verwendung von 63,4 mm (2,5 Zoll) zerhackter Fasern hergestellt, die in der Form von Beispiel 2 zu einem Vlies geformt wurden. Der Vorformling wurde mittels des Schuhs verdichtet und mit den Nadeln aus Beispiel 2 auf 1750 NPSI pro Seite verfilzt. Der Vorformling wurde wie in Beispiel 2 karbonisiert und erreichte eine Dichte von 0,61 g/cm³.
Dieser Vorformling wurde mit einem Epoxidkunstharz mit geringem Modul verdichtet (EPON 828/Jeffamin 230) und mechanisch getestet, wobei sich eine tangentiale Zugfestigkeit und ein Modul von 10,6 ksi bzw. 2,3 msi ergab. Die Berechnung der Translationseffizienz wurde verwendet um seine Leistung mit Beispiel 2 zu vergleichen.
Translationseffizienz (%) = (gemessener axialer Modul/ berechneter Modul) × 100
Berechneter Modul = (Fasermodul × Anteil des ebenen Faservolumens × ebener isotroper Faktor)
Fasermodul = 25 msi (P25 Faser)
Anteil des ebenen Faservolumens = 0,61 g/cm³
Vorformling/1,93 g/cm³ Faser – 'Z'Faser
'Z' Faser(geschätzt) = 10% (0,025 Volumenanteil)
Translationseffizienz = 2,3/(25 msi × 0,284 ebene Vff × 0,45) × 100 = 71,9%.
Das Sehnenverbundmaterial erzielte eine um 16,4% größere Steifheit.

Claims

Vorformling, der bei der Herstellung von Verbundartikeln verwendet wird und die Form eines im Allgemeinen runden Vlieses aufweist, das aus einer Faseranordnung zusammengesetzt ist, die sich innerhalb der Grenzen des Vorformlings befindet, die durch eine obere und eine untere runde Vliesoberfläche definiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern dieser Anordnung als Kreissehnen vorgesehen sind, die über die Dicke der Matte hinweg eine große Spannbreite an Ausrichtungen aufweisen können.
Vorformling gemäß Anspruch 1, wobei 5–100% der Fasern im Vorformling im Wesentlichen als fortlaufende Kreissehnen innerhalb der Grenzen des Vorformlings vorliegen.
Vorformling gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Sehnen im Wesentlichen innerhalb der Grenzen des Vorformlings fortlaufend sind und der Vorformling im Wesentlichen isotrop ist.
Vorformling gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, der im wesentlichen gleichförmige Faser-Flächengewichte aufweist.
Vorformling gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, in dem die Fasern Kohlenstofffasern sind.
Vorformling gemäß Anspruch 5, umfassend Kohlenstofffaser-Werg, das als Kreissehnen vorliegt, in dem die Fasern im Wesentlichen innerhalb der Grenzen des Vorformlings fortlaufend sind und das Kohlenstofffaser-Werg im Vorformling in zahlreichen Ausrichtungen vorliegt.
Vorformling gemäß Anspruch 5, der im Wesentlichen fortlaufendes Kohlenstofffaser-Werg umfasst, das in Kreissehnen vorliegt, wobei die Sehnen im Wesentlichen innerhalb der Grenzen des Vorformlings fortlaufend sind und der Vorformling in der Blattebene hinsichtlich Festigkeit, Steifheit und thermischer Eigenschaften im Wesentlichen isotrop ist.
Vorformling gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, in dem der Vorformling zur dreidimensionalen Verstärkung zu Nadelfilz verfilzt wird.
Vorformling gemäß eines der vorangegangenen Ansprüche, in dem der Vorformling in einer Matrix eingebettet wird, die aus in Wärme ausgehärtetem Kunstharz, thermoplastischem Kunstharz, Kohlenstoff, Metall oder Keramik gewählt ist.
Vorformling gemäß Anspruch 9, in dem die Matrix aus Kohlenstoff besteht.
Verwendung eines Vorformlings gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, um Reibscheiben herzustellen, die Kohlenstofffaser-Werg umfassen, das als Kreissehen vorliegt, wobei Winkel und Stellung der Sehnen so gewählt sind, dass Festigkeit, Steifheit und Reibeigenschaften auf verschiedenen Ebenen der Reibscheibe optimiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, das die Schritte umfasst, eine Faser als Kreissehne um eine Stiftspindel zu wickeln, um die Form des Vorformlings gleichmäßig auszufüllen und einen nahezu netzförmigen Vorformling zu bilden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, das ein Verfilzen des Vorformlings zu Nadelfilz umfasst, um eine dreidimensionale Verstärkung zu erzielen.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder Anspruch 13, in dem die Sehnenwinkel so gewählt sind, dass der Vorformling im Wesentlichen gleichmäßige Faser-Flächengewichte aufweist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, in dem der Vorformling ein Verhältnis von Außendurchmesser zu Innendurchmesser aufweist, das größer als drei ist, und in dem die Sehnenwinkel so gewählt ist, dass der Vorformling über die Blattebene hinsichtlich seiner Festigkeit, Steifheit und thermischen Eigenschaften im Wesentlichen isotrop ist.