DE60009951T2

DE60009951T2 - Stützstruktur für steife verbundbauteile

Info

Publication number: DE60009951T2
Application number: DE2000609951
Authority: DE
Inventors: Peter Boesman; Elsie De Clercq; Frans Van Giel
Original assignee: Bekaert NV SA
Current assignee: Bekaert NV SA
Priority date: 1999-12-15
Filing date: 2000-12-13
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: ES2252082T3; US20040176007A1; JP4323127B2; DE60024485T2; DE60018969T2; WO2001043951A1; AU2010801A; ES2237489T3; US20020182961A1; WO2001043952A1; JP4880157B2; ES2218274T3; DE60007662T2; EP1238129B1; JP2003517105A; WO2001044548A1; US20030022579A1; US7304007B2; EP1238129A1; EP1238128B1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Verstärkungsstruktur mit metallischen Elementen und die Verwendung einer derartigen Verstärkungsstruktur zur Verstärkung steifer Verbundbauteile. Die Erfindung betrifft außerdem steife Verbundbauteile und ein Verfahren zur Bereitstellung von steifen Verbundbauteilen.
Allgemeiner Stand der Technik
Verstärkungsstrukturen zum Verstärken von Polymerbauteilen sind bekannt. Oft werden Glasfasern oder C-Fasern verwendet, um Polymermatrizen zu verstärken, die gemeinsam ein verstärktes, eventuell geformtes Bauteil bereitstellen. Während des Formungsprozesses werden die Biegeeigenschaften der Polymermatrix negativ beeinflusst, da die Verstärkungsstrukturen schwierig zu dehnen sind.
Oft werden Metallfilamente oder -fasern in Verbundmaterialien integriert, um ein Material zu erhalten, dass eine EMI-Abschirmung aufweist. Als Folge elektromagnetischer Erfordernisse werden Metallfilamente oder -fasern mit feinen Durchmessern von 100 μm oder weniger verwendet. Ein Beispiel dafür kann in der US5089326 gefunden werden. Es ist im Rahmen des Standes der Technik bekannt, dass die Hinzufügung von feinen Metallfasern oder -filamenten von üblicherweise weniger als 100 μm die Festigkeit des Verbundmaterials nicht erhöht.
Auch Metalldrähte oder Textilgewebe mit Metalldrähten sind als Verstärkungsstruktur z. B. aus der FR1290278, EP234463A1, EP546962A1 oder EP392904A1 bekannt. Um die Formbarkeit des Verbundmaterials zu verbessern, werden Drähte vorzugsweise als gestricktes Gewebe bereitgestellt.
Kurze Darstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstärkungsstruktur mit metallischen Elemente. Die Verstärkungsstruktur kann dazu verwendet werden, steife Verbundbauteile herzustellen, die außerdem eine Polymermatrix umfassen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Verstärkungsstruktur bereitzustellen, die ein Textilgewebe umfasst, das metallische Elemente umfasst. Diese Verstärkungsstruktur weist im Vergleich. zu den bekannten Drähten oder Drahtnetzen verbesserte Biegeeigenschaften auf und liefert eine Alternative zu den gestrickten Drahtstrukturen.
Die metallischen Elemente, die Teil eines Textilgewebes sind, sind aufgrund ihres Vorhandenseins in diesem Textilgewebe deformiert. Diese Deformation wird nachstehend als "textile Deformation" bezeichnet. Für den Fall, dass das Textilgewebe gewobenes Gewebe ist, verleiht die textile Deformation dem metallischen Element infolge des Verwebens der metallischen Elemente als Ketten- und/oder Schusselement eine wellige Gestalt. Für den Fall, dass das Textilgewebe ein gestricktes Gewebe ist, versieht die textile Deformation das metallische Element mit einer schleifenförmigen Gestalt, die die Gestalt der Maschen ist, in die das metallische Element während des Strickens überführt wird.
Erfindungsgemäß weisen die metallischen Elemente zumindest eine von der Textildeformation verschiedene strukturelle Deformation auf. Diese Deformation wird nachstehend als "strukturelle Deformation" bezeichnet. Eine derartige strukturelle Deformation kann eine unregelmäßige Form aufweisen; sie kann z. B. gewellt sein mit einer Wellenlänge und/oder Amplitude, die über die Länge des metallischen Elemente variiert. Das metallische Element ist vorzugsweise jedoch regelmäßig gewellt oder spiralig geformt, mit Parametern, die auf der ganzen Länge des metallischen Elemente konstant sind.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind metallische Elemente als Metalldrähte, z. B. gezogene Metalldrähte, ein Bündel von Metalldrähte, metallische Litzen oder Seile zu verstehen.
Erfindungsgemäß werden die Biegeeigenschaften der Verstärkungsstruktur verbessert, indem metallische Elemente in das Textilgewebe integriert werden, die eine Bruchdehnung von mehr als 3% im Vergleich zu der anfänglichen Bruchlänge aufweisen. Diese Bruchdehnung kann sogar mehr als 5% oder mehr als 7% betragen, z. B. mehr als 10% und besonders bevorzugt mehr als 15%. Diese Dehnung wird erfindungsgemäß durch die Verwendung eines metallischen Elements mit strukturellen Deformationen erhalten.
Eine erfindungsgemäße strukturelle Deformation kann z. B. eine Wellenform sein. Dem metallischen Element, das ein Draht, eine Litze oder ein Seil sein kann, wird eine Form verliehen, die durch eine Wellenlänge und eine Amplitude charakterisiert ist. Dieses gewellte metallische Element ist vorzugsweise in einer zu der Achse des metallischen Elements parallelen Ebene enthalten. Eine andere strukturelle Deformation kann z. B. darin bestehen, dass ein metallisches Element eine Spiralform erhalten hat, die durch einen Durchmesser der Spirale und die Länge des metallischen Elemente charakterisiert ist, die notwendig ist, in der Spiralform eine Umdrehung von 360° auszuführen.
Für den Fall, dass das metallische Element gewellt ist und diese Wellenform die strukturelle Deformation ist, wird die Entfernung der strukturellen Deformation des metallischen Elemente beim metallischen Element während des Verformungsprozess zu einer elastischen Dehnung, einer plastischen Dehnung oder einer Kombination der beiden führen, die hauptsächlich von der Wellenlänge der Wellenform abhängt.
Falls eine kleine Wellenlänge verwendet wird, z. B. kleiner als 3 mm, wird eine höhere Kraft notwendig sein, um neben der elastischen und plastischen Dehnung des metallischen Elements unter Last das metallische Element zu dehnen, um dadurch die strukturelle Deformation zu entfernen, als wenn keine strukturelle Deformation vorhanden wäre. Die Entfernung dieser strukturellen Deformation führt zu einer hauptsächlich plastischen Dehnung des metallischen Elements. Wenn das metallische Element entlastet wird, wird das metallische Element nicht in seine ursprüngliche gewellte Form zurückkehren, sondern in gewissem Maße gedehnt bleiben.
Für den Fall, dass eine längere Wellenlänge verwendet wird, z. B. mehr als 3 mm oder sogar mehr als 4,5 mm, genügt eine niedrigere Kraft, um das metallische Element zu strecken und die strukturelle Deformation in einem gewissen Maße zu entfernen. Dies führt zu einer hauptsächlich elastischen Dehnung des metallischen Elements, die zu der elastischen Dehnung des metallischen Elements bei niedriger Kraft und wenn keine strukturelle Deformation vorhanden ist hinzutritt. Wenn das metallische Element losgelassen wird, wird das metallische Element annähernd in seine ursprüngliche gewellte Form zurückkehren. Wenn höhere Kräfte angelegt werden, erfolgt eine plastische Dehnung des metallischen Elements selbst, neben der Entfernung der restlichen strukturellen Deformation.
Die Dehnung der metallischen Elemente, die mit einer großen Wellenlänge gewellt sind, kann mehr als 0,3% betragen, z. B. mehr als 0,4%, oder sogar mehr als 0,5%, vorzugsweise mehr als 1% oder mehr, wenn eine Kraft von 10% der Bruchkraft angelegt wird.
Für den Fall, dass das metallische Element eine strukturelle Deformation von Spiralform aufweist, kann ein identisches Verhalten erzielt werden. Abhängig von der Länge einer 360° Drehung und dem Durchmesser der Spirale, wird die Entfernung der strukturellen Deformation des metallischen Elements während des Verformungsprozesses für das metallische Element zu einer elastischen Dehnung, einer plastischen Dehnung oder einer Kombination aus beiden führen.
Es versteht sich, dass die Dehnung infolge eines Entfernens der strukturellen Deformation abhängig von der verwendeten Wellenlänge oder der Länge einer 360° Drehung entweder elastisch oder plastisch oder eine Kombination aus einer plastischen und einer elastischen Dehnung sein kann.
Metallelemente, die Teil einer erfindungsgemäßen Verstärkungsstruktur sind, können mehr als eine strukturelle Deformation aufweisen, sie können z. B. Wellenformen oder strukturelle Deformationen mit Spiralform sein, die einander überlagert sind.
Wenn ein metallisches Element, das zwei strukturelle Deformationen aufweist, die zwei Wellenformen sind, von denen eine eine große Wellenlänge besitzt und die zweite eine kurze Wellenlänge besitzt, einer Dehnkraft F unterliegt, wird eine Zugspannung/Dehnungs-Kurve erhalten, die verschiedene aufeinanderfolgende Bereiche beinhaltet, die durch die Kräfte F1, F2, F3 und F4 (F1<F2<F3<F4) begrenzt sind.
Für eine angelegte Kraft F, die kleiner als F1 ist, wird eine elastische Dehnung erhalten. Wenn eine Kraft F größer als F1, aber kleiner als F2 angelegt wird, kommt eine zusätzliche, im Wesentlichen plastische Dehnung hinzu. Diese Dehnungen können durch das hauptsächliche Entfernen der strukturellen Deformation mit großer Wellenlänge erklärt werden.
Wenn die Kraft F auf einen Pegel zwischen F2 und F3 erhöht wird, ist die zusätzliche Dehnung wieder hauptsächlich elastisch. Wenn F auf einen Pegel zwischen F3 und F4 erhöht wird, wird die Dehnung in diesem Bereich hauptsächlich plastisch, bis bei F4 der Bruch erfolgt. Diese zwei späteren Dehnungen erklären sich hauptsächlich durch die Entfernung der strukturellen Deformation mit kurzer Wellenlänge und die plastische Deformation des metallischen Elements ohne strukturelle Deformation bis zum Bruch.
Die Kräfte F1, F2 und F3, bei denen die Dehnung von elastisch zu plastisch oder umgekehrt wechselt, können durch die Wellenlänge und Amplitude der Wellenformen zusammen mit anderen Parametern des metallischen Elements eingestellt werden, wie beispielsweise dem Durchmesser der Drähte, der Legierung und der Historie der Ziehvorgänge und dem Aufbau von Litze und Seil.
Falls mehr als 2 strukturelle Deformationen einander überlagert sind, kann ein ähnliches Verhalten des metallischen Elements unter Last erhalten werden.
Falls die strukturellen Deformationen Wellenformen sind, kann das metallische Element entweder in einer Ebene parallel zu der Achse des metallischen Elements gewellt sein oder die Wellenformen können in unterschiedlichen Ebenen vorgesehen sein, die alle parallel zu der Achse des metallischen Elements sind.
Es finden sich die gleichen Eigenschaften für metallische Elemente falls eine oder mehrere der strukturellen Deformationen spiralförmige strukturelle Deformationen sind.
Die Verstärkungsstruktur kann ein oder mehrere Textilgewebe beinhalten, die im Folgenden auch Verstärkungsschichten genannt werden. Die metallischen Elemente sind erfindungsgemäß in zumindest einer der Verstärkungsschichten vorhanden.
Als Verstärkungsstruktur sind alle Elemente zu verstehen, die neben der Polymermatrix verwendet werden, um das steife Verbundbauteil bereitzustellen. Einem Fachmann ist klar, dass zusätzlich zu den metallischen Elementen auch andere Materialien verwendet werden können, um Elemente der Verstärkungsstruktur bereitzustellen, z. B. Glassfasern, C-Fasern oder Matten oder gewobene Gewebe aus derartigen Materialien.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Biegeeigenschaften und das Verhalten von Verstärkungsstrukturen mit metallischen Elementen während eines Formungsprozesses eines steifen Verbundbauteils, das diese Verstärkungsstruktur und eine Polymermatrix beinhaltet, zu verbessern. Während dieses Prozesses werden die Verstärkungsstruktur und die Polymermatrix der Einwirkung von Wärme und/oder Druck unterworfen, um ein steifes Verbundbauteil zu erhalten. Das Formen kann in einem Schritt erfolgen oder aufeinanderfolgende Schritte erfordern.
Es hat sich herausgestellt, dass, wenn eine Verstärkungsstruktur, die Textilgewebe mit metallischen Elementen mit einer strukturellen Deformation beinhaltet, einem Formungsprozess unterworfen wird, die zum Formen des steifen Verbundbauteils erforderliche Kraft teilweise zur Dehnung des metallischen Elements verwendet wird. Die angewandte Kraft wird das metallische Element dehnen, indem die strukturellen Deformationen teilweise aufgehoben werden. Dies ist wegen der Bruchdehnung der metallischen Elemente wie oben angegeben erzielbar.
Eine erfindungsgemäße Verstärkungsstruktur kann zusammen mit der Polymermatrix einem Formungsprozess unterworfen werden. Dieser Prozess umfasst einen Erwärmungsvorgang, um die Polymermatrix zu erweichen, einen Formungsvorgang, um die erweichte Matrix zu formen und die Verstärkungsstruktur in eine gewünschte Form zu bringen, und einen Kühlvorgang, um die Matrix wieder erstarren zu lassen.
Wenn ein metallisches Element mit mehr als einer strukturellen Deformation als Teil der Verstärkungsstruktur eines steifen Verbundbauteils verwendet wird, ist dies einerseits für die Biegeeigenschaften während des Formungsprozesses und andererseits für das steife Verbundbauteil von Nutzen. Falls die Kraft F, die verwendet wird, um ein die Verstärkungsstruktur umfassendes, steifes Verbundbauteil bereitzustellen, annähernd F2 ist, werden die Biegeeigenschaften der Verstärkungsstruktur durch die elastische und plastische Dehnung verbessert, für die die Dehnungsbereiche unterhalb von F2 sorgen. Wenn das steife Verbundbauteil jedoch einer Stoßkraft unterliegt, z. B. einer Kraft zwischen F2 und F3, wird das steife Verbundbauteil in der Lage sein, die Stoßenergie in einer reversiblen Formänderung zu absorbieren. Dies ist der Fall, weil hauptsächlich die Verstärkungsstruktur in einer im Wesentlichen elastischen Dehnung gestreckt werden wird.
Derartige Formungsprozesse, bei denen die Verstärkungsstruktur und die Polymermatrix der Einwirkung von Wärme und/oder Druck unterworfen werden, um ein steifes Verbundbauteil zu formen, können eine oder mehrere aufeinanderfolgende Schritte umfassen. Zunächst wird Polymermaterial, das als Polymermatrix in dem steifen Verbundbauteil verwendet werden soll, zu der Verstärkungsstruktur hinzugefügt. Z. B. wird ein Textilgewebe mit einem metallischen Element, das zumindest eine strukturelle Deformation aufweist, zwischen zwei oder mehr Polymerschichten eingebettet. Eventuell werden vor oder während des Einbettens weitere Elemente der Verstärkungsstruktur hinzugefügt.
Eine Alternative besteht darin, Polymermaterial um das Textilgewebe zu extrudieren, das die metallischen Elemente beinhaltet, die zumindest eine strukturelle Deformation aufweisen. Diese Kombination von Polymermaterial und Verstärkungsstruktur mit metallischen Elementen wird einem Formungsprozess unterworfen.
Ein derartiger Formungsprozess könnte z. B. eine Pressformung, Gießformung, Thermofaltung oder Membranformung sein.
Bei einem Pressformungsvorgang (Prägen), werden eine Verstärkungsstruktur und die Polymermatrix auf die Verarbeitungstemperatur erwärmt und in einem zweiteiligen Werkzeug unter Druck geprägt, um ein steifes Verbundbauteil bereitzustellen.
Bei einem Gießformungsvorgang werden die Verstärkungsstruktur und die Polymermatrix auf die Verarbeitungstemperatur erwärmt und in einem zweiteiligen Werkzeug platziert und dann unter Druck gesetzt. Der Formhohlraum wird mit einer Polymermatrix gefüllt, die in jeden Freiraum der Form fließt, um dadurch ein steifes Verbundbauteil bereitzustellen.
Bei einem Thermofaltungsvorgang werden die Verstärkungsstruktur und die Polymermatrix lokal erwärmt und gefaltet, um ein steifes Verbundbauteil bereitzustellen.
Bei einem Membranformungsvorgang wird ein Autoklavdruck verwendet, um die vorgewärmte Verstärkungsstruktur und die Polymermatrix über ein Werkzeug zu drapieren und so ein steifes Verbundbauteil bereitzustellen.
Das Vorhandensein der metallischen Elemente in der Matrix während der Biegevorgänge verbessert außerdem die Wärmeverteilung über die ganze Matrix, da die metallischen Elemente eine hohe elektrische und Wärmeleitfähigkeit besitzen. Dies führt zu kürzeren Zykluszeiten im Vergleich zu Verbundmaterialien mit anderen Verstärkungsstrukturen, die nicht-metallische Elemente wie beispielsweise Glasfasern oder Kohlenstofffasern umfassen.
Die metallischen Elemente können zusammen mit Polymerfilamenten, Garnen oder Polymerstreifen in ein und dasselbe Gewebe gewoben, gestrickt oder geflochten sein. Eine andere Alternative besteht im Beschichten der Drähte, Litzen oder Seile mit einer Polymerbeschichtung bevor sie in das Gewebe überführt werden. Es versteht sich, dass neben der strukturellen Deformation der metallischen Elemente auch die Art des Textilgewebes selbst zu den Dehnungseigenschaften der gesamten Verstärkungsstruktur beitragen können. Um die Biegeeigenschaften der Verstärkungsstruktur weiter zu verbessern, kann das Gewebe selbst gewellt sein.
Eine andere Alternative besteht darin, eine Polymerbeschichtung um die metallischen Elemente vorzusehen, und zwar vorzugsweise bevor ihnen die strukturelle Deformation verliehen wird, nach der sie dazu verwendet werden, ein Textilgewebe bereitzustellen. Z. B. wird Polymermaterial um das metallische Element extrudiert. Eine derartige Polymerbeschichtung unterstützt die Verbesserung der Haftung zwischen den metallischen Elementen der Verstärkungsstruktur und der Polymermatrix.
Als Polymermatrix kann ein beliebiges thermoplastisches Material verwendet werden. Als thermoplastisches Material wird ein beliebiger Thermoplast und ein beliebiges thermoplastisches Elastomer verstanden.
Beispiele von geeigneten thermoplastischen Materialien sind: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Polystyren (PS), Polyethyleneterephthalat (PET), Polyethylenenapthalat (PEN), Polybutenterephthalat (PBT), Polyvinylchlorid (PVC), Polyamid (PA), Polyester (PES), Polyamid (PI), Polycarbonat (PC), Styrenacrilonitryl (SAN), Acrylonitrilbutadienstyren (ABS), thermoplastisches Polyurethan (TPU), thermoplastische Polyolefine (TPO), thermoplastische Copolyätherester, Copolymere dieser Polymere oder ähnliche Materialien.
Diese Polymermatrizen könnten durch ein Youngsches Modul von mehr als 10⁷ Pa, vorzugsweise zwischen 10⁸Pa und 5*10⁹Pa, definiert sein. Das Youngsche Modul wird am Ursprung der Zugspannung/Dehnungs-Kurve des Polymers bei Umgebungstemperaturen gemessen.
Ein ähnliches steifes Verbundbauteil kann dadurch erhalten werden, dass Polymere verwendet werden, wobei die Verstärkungsstruktur ohne Polymermatrix geformt wird und die durch Wärme härtende Matrix, die die Polymermatrix darstellt, zu der geformten Verstärkungsstruktur z. B. durch Spitzguss hinzugefügt wird.
Wenn Litzen oder Seile in der Verstärkungsstruktur verwendet werden, werden solche Litzen oder Seile bevorzugt, die eine große und raue Oberfläche haben, um die mechanische Verankerung in der Matrix zu erhöhen. Beispiele sind 3×3 und 7×3 Seile und vorzugsweise Seile mit Einfachlitzen.
Um die Korrosionsfestigkeit der metallischen Elemente zu verbessern, können die metallischen Elemente mit einer metallischen Beschichtung wie beispielsweise Zink oder einer Zinklegierung wie beispielsweise Messing beschichtet werden. Eine geeignete Zinklegierung ist eine Legierung, die 2 bis 10% A1 und 0,1 bis 0,4 % eines Seltenerdelements wie beispielsweise La und/oder Ce enthält.
Um eine gute Haftung zwischen dem metallischen und dem thermoplastischen Material zu gewährleisten, kann ein Haftungspromoter auf das metallische Element aufgebracht werden.
Mögliche Haftungspromotoren sind bifunktionale Kopplungsstoffe wie beispielsweise Silanverbindungen.
Eine funktionelle Gruppe dieser Kopplungsstoffe ist für die Bindung mit dem Metall oder den Metalloxiden verantwortlich; die andere funktionelle Gruppe reagiert mit dem Polymer.
Weitere Einzelheiten dieser Kopplungsstoffe können in der PCT-Anmeldung WO-A-99/20682 gefunden werden.
Andere geeignete Haftungspromotoren sind Aluminate, Zirkonate oder Titanate.
Drähte, die als metallisches Element als solches oder in einer Litze oder einem Seil enthalten verwendet werden, können verschiedene Querschnitte und Geometrien aufweisen, z. B. kreisförmig, oval oder flach sein.
Für das Sortiment von Drähten, Litzen und Seilen kann abhängig von der erforderlichen mechanischen Festigkeit eine große Bandbreite von Materialien verwendet werden. Drähte, die als solche oder in einer Litze oder einem Seil enthalten verwendet werden, können einen Durchmesser von 0,04 mm bis 1,0 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,4 mm, z. B. 0,15 mm, 0,175 mm oder 0,3 mm aufweisen.
Drähte mit strukturellen Deformationen können ebenso verwendet werden, um eine Litze oder ein Seil bereitzustellen. Diese Litzen oder Seile können einen Teil der Verstärkungsstruktur bilden.
Es kann ein beliebiges Metall verwendet werden, um die metallischen Elemente bereitzustellen. Vorzugsweise werden Legierungen wie beispielsweise Stahllegierungen mit hohem Kohlenstoffgehalt oder rostfreie Stahllegierungen verwendet.
Wenn Stahldraht verwendet wird, reicht die Zugfestigkeit der Stahldrähte von 1500 N/mm² bis 3000 N/mm² und sogar mehr, und hängt hauptsächlich von der Zusammensetzung des Stahls und dem Durchmesser ab.
Auch andere Parameter einer Litze oder eines Seils, wie beispielsweise der Aufbau der Litze oder des Seils, die Zahl der Drähte und die Durchmesser jedes in der Litze oder dem Seil enthaltenen Drahts, die Bruchkraft jedes in der Litze oder dem Seil enthaltenen Drahts, können so gewählt werden, dass die erforderlichen mechanischen Eigenschaften wie beispielsweise Festigkeit und Bruchdehnung erzielt werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nun ausführlicher unter Bezug auf die folgenden beigefügten Zeichnungen beschrieben werden:
1 zeigt ein gewobenes Textilgewebe des Standes der Technik.
2 zeigt eine schematische Ansicht eines gewobenen Textilgewebes, das Teil einer erfindungsgemäßen Verstärkungsstruktur werden soll.
3 zeigt ein gewelltes metallisches Element.
4 zeigt Zugspannung/Dehnungs-Kurven von gewellten metallischen Elementen.
5 zeigt ein metallisches Element mit zwei einander überlagerten Wellenformen.
6 zeigt eine Zugspannung/Dehnungs-Kurve eines in 5 gezeigten gewellten metallischen Elements.
7 zeigt ein gewobenes Textilgewebe, das als erfindungsgemäße Verstärkungsstruktur verwendet wird.
8 zeigt ein gestricktes Textilgewebe, das als erfindungsgemäße Verstärkungsstruktur verwendet wird.
9, 10, 11 und 12 zeigen alternative gewobene Textilgewebe, die als erfindungsgemäße Verstärkungsstrukturen verwendet werden.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung
1A zeigt ein gewobenes Textilgewebe des Standes der Technik mit metallischen Elementen, die Drähte sind. Ein derartiges Textilgewebe ist als Verstärkungsstruktur bekannt. Dieses Gewebe umfasst Kettenelemente 101 und Schusselemente 102. In 1B zeigt ein Querschnitt parallel zu der Schussrichtung die textile Deformation der Schusselemente 102. Diese textile Deformation weist infolge des Vorhandenseins des Drahtes in der gewobenen Textilstruktur eine Wellenform auf. Die Wellenform weist in jeder konkaven Seite der Welle der Wellenformen ein Kettenelement 101 auf. In 1C zeigt ein Querschnitt parallel zu der Kettenrichtung die Deformation der Kettenelemente 101. Diese textile Deformation weist infolge des Vorhandenseins des Drahts in der gewobenen Textilstruktur eine Wellenform auf. Die Wellenform weist in jeder konkaven Seite der Welle der Wellenformen ein Schusselement 102 auf.
Wenn ein derartiges Gewebe des Standes der Technik einer Dehnungskraft entweder in der Ketten- oder der Schussrichtung unterworfen wird, verhindert das in der konkaven Seite der textilen Deformation vorhandene metallische Element, dass die textile Deformation (in diesem Fall die Wellenform) entfernt wird.
In 2A ist ein gewobenes Textilgewebe gezeigt, das Teil einer erfindungsgemäßen Verstärkungsstruktur ist. Dieses gewobene Textilgewebe umfasst auch Kettenelemente 201 und Schusselemente 202. Der Unterschied zwischen dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und dem in 1 gezeigten Textilgewebe ist in 2B und 2C klar zu erkennen. 2B und 2C sind Ansichten eines Querschnitts des Gewebes von 2A in Schuss- beziehungsweise Kettenrichtung. 2B zeigt deutlich, dass das Schusselement 202 neben der Deformation aufgrund des Vorhandenseins in dem Textilgewebe eine strukturelle Deformation aufweist (bei dieser Ausführungsform eine zweite Wellenform). 2C zeigt in diesem Fall für das Kettenelement 201 das gleiche Vorhandensein einer zweiten Wellenform, die eine strukturelle Deformation ist, neben der Deformation aufgrund des Vorhandenseins des metallischen Elements in dem Textilgewebe.
Ähnlich wie das bekannte Gewebe in 1 kann die textile Deformation aufgrund des Vorhandenseins eines metallischen Elements in der konkaven Seite nicht entfernt werden. Das Gewebe kann jedoch ohne weiteres dadurch gedehnt werden, dass die strukturelle Deformation entfernt werden kann.
3 zeigt eine Seitenansicht eines strukturell deformierten, gewellten Drahts 301, der erfindungsgemäß in ein Textilgewebe integriert werden soll. Der Draht besitzt eine ursprüngliche Achse 302, zu der er in einer Ebene mit einer Wellenlänge 303 und einer Amplitude 304 gewellt ist. Für diese Ausführungsform wird ein Drahtdurchmesser von 0,3 mm gewählt.
Es wurden verschiedene Ausführungsformen eines gewellten Drahts bereitgestellt, die die in der unten stehenden Tabelle gezeigten Eigenschaften aufweisen.
Alle anderen Eigenschaften sind für die vier Muster identisch. Die Muster A, B und C wurden unter Verwendung des Drahtes von Muster D bereitgestellt.
4 zeigt die Zugspannung/Dehnungs-Kurven von Muster A, B, C und D. Auf der Abszisse ist die Dehnung im Vergleich zu der Anfangslänge dargestellt. Die Ordinate zeigt die angewandte Kraft im Vergleich zu der Gesamtbruchkraft.
Im Vergleich zu Kurve 400 des strukturell nicht deformierten Drahtes von Muster D wird klar, dass durch die Einführung einer strukturellen Deformation eine signifikant größere Dehnung erzielbar ist. Da diese strukturelle Deformation der einzige Unterschied zwischen den vier Mustern ist, muss die unterschiedliche Dehnung durch die strukturelle Deformation bewirkt werden.
Für Muster A zeigt die Zugspannung/Dehnungs-Kurve 401, dass der größte Teil der Dehnung in dem im Wesentlichen elastischen Deformationsbereich 402 der Kurve gefunden wird, während nur ein kleinerer Teil der Dehnung in dem plastischen Deformationsbereich 403 gefunden wird.
Für die Zugspannung/Dehnungs-Kurve 404 von Muster B lassen sich einige Beobachtungen machen. Im Vergleich zu der Dehnung, die durch den plastischen Deformationsbereich 406 geliefert wird, findet sich der größte Teil der Dehnung in dem elastischen Deformationsbereich 405. Beide Muster weisen eine ziemlich große Wellenlänge auf und es zeigt sich, dass die Entfernung der strukturellen Deformation durch eine im Wesentlichen elastische Dehnung erhalten wird.
Für Muster C zeigt die Zugspannung/Dehnungs-Kurve 407, dass sich in dem elastischen Deformationsbereich 408 im Vergleich zu der großen Dehnung in dem plastischen Deformationsbereich 409 nur eine kleine elastische Dehnung findet. Die Entfernung der strukturellen Deformation wird für diese ziemlich kurzen Wellenlängen im Wesentlichen durch eine plastische Dehnung erhalten.
Es werden Dehnungen von mehr als 4%, z. B. 5%, 9% oder sogar 11% erhalten. Bei 10% der Bruchkraft findet sich bereits eine große Dehnung für ein metallisches Element mit einer strukturellen Deformation im Vergleich zu der Dehnung bei 10% der Bruchkraft eines nicht strukturell verformten Drahts. Diese Dehnung bei niedrigen Kräften wird durch die Verwendung großer Wellenlängen verbessert.
Es können andere Ausführungsformen erhalten werden, indem andere gewellte Drähte wie beispielsweise Drähte mit anderem Durchmesser, anderer Legierung, Wellenlänge, Amplitude oder Wellenform verwendet werden. Sogar Seile und Litzen, die z. B. parallel zu der Litzen- oder Seilachse gewellt sind, gehören zum Schutzumfang der Erfindung.
Eine andere Ausführungsform wird durch Verwendung eines metallischen Elements mit mehr als einer strukturellen Deformation erhalten, die einander überlagert sind. In 5 ist ein Draht 501 gezeigt, der 2 einander überlagerte Wellenformen aufweist. Die zwei Wellenformen sind in der gleichen Ebene vorgesehen. Dieser Draht soll erfindungsgemäß in ein Textilgewebe integriert werden.
Eine erste Wellenform, die durch eine große Wellenlänge 502 und Amplitude 503 relativ zu der Achse 504 des Drahtes ohne eine solche Wellenform gekennzeichnet ist, ist einer Wellenform mit kurzer Wellenlänge 505 und Amplitude 506 relativ zu der Achse 507 des Drahtes ohne eine solche Wellenform überlagert.
Es wurde eine Ausführungsform mit den in der nachstehenden Tabelle angegebenen Eigenschaften vorgesehen:
6 zeigt die Zugspannung/Dehnungs-Kurven von Muster E. Auf der Abszisse ist die Dehnung im Vergleich zur Ausgangslänge gezeigt. Die Ordinate zeigt die angelegte Kraft im Verglich zur Gesamtbruchkraft.
Im Vergleich zu Kurve 600 des strukturell nicht deformierten Drahtes D wird deutlich, dass durch die Einführung der strukturellen Deformationen eine signifikant größere Dehnung erzielbar ist. Da diese strukturelle Deformation der einzige Unterschied zwischen Muster E und dem Muster D mit dem Referenzdraht ist, muss die unterschiedliche Dehnung durch die strukturelle Deformation bewirkt sein.
Für Muster E zeigt Kurve 601 4 Bereiche. In Bereich 602 ist die erhaltene Dehnung im Wesentlichen elastisch. Bereich 603 liefert eine zusätzliche Dehnung, die hauptsächlich plastisch ist, während Bereich 604 eine Dehnung liefert, die wiederum mehr elastisch ist. Bereich 605 liefert bis zum Auftreten des Bruchs eine plastische Dehnung.
Ein steifes Verbundbauteil mit einer Verstärkungsstruktur mit einem erfindungsgemäßen gewobenen Textilgewebe ist in 7 gezeigt. Die gewellten Drähte 701 in der Kettenrichtung und 702 in Schussrichtung sind so gewellt, dass sie neben der Deformation, die sie dadurch erhielten, dass sie in ein gewobenes Gewebe gewebt wurden, eine strukturelle Deformation aufweisen. Ein steifes Verbundbauteil kann erhalten werden, wenn für die Verstärkungsstruktur eine Polymermatrix 703 bereitgestellt wird, indem z. B. Polymerlagen unter erhöhter Temperatur auf beide Seiten der Verstärkungsstruktur aufgebracht werden. Durch Anwendung von Wärme und/oder Druck haftet die Polymermatrix 703 an der Verstärkungsstruktur. Eventuell wird dem steifen Verbundbauteil zur gleichen Zeit seine endgültige Form verliehen. Alternativ wird ein planes, steifes Verbundbauteil bereitgestellt, das später in einem separaten Vorgang durch Anwendung von Wärme und/oder Druck auf das plane, steife Verbundbauteil in seine endgültige Form gebracht wird.
Ein weiteres steifes Verbundbauteil ist in 8 gezeigt. Strukturell deformierte Drähte 801 sind in eine gestrickte Struktur eingestrickt. Die Drähte 801 sind strukturell zu einer unregelmäßig gewellten Form deformiert. Für die Verstärkungsstruktur ist eine Polymermatrix 802 vorgesehen. Es versteht sich, dass das Strickmuster so gewählt werden kann, dass es die Dehnungseigenschaften der Verstärkungsstruktur sogar verbessert. Die metallischen Elemente sind neben der Wellenform, die eine strukturelle Deformation ist, aufgrund ihres Vorhandenseins in einem gestrickten Textilgewebe deformiert. Sie sind so geformt, dass sie Schleifen formen, die die Maschen des Gewebes bilden. Die metallischen Elemente können alternativ dazu verwendet werden, eingenähte Maschen oder Einlagen zu bilden.
Eine alternative, erfindungsgemäße Ausführungsform ist in 9 gezeigt, in der Stahlseile 901 und 902, die strukturell deformiert sind, da sie gewellt sind, sowohl in der Ketten- als auch der Schussrichtung verwendet werden, um ein gewobenes Gewebe bereitzustellen. Eine Polymermatrix 903 ist zusätzlich vorgesehen und haftet vermittels Wärme und/oder Druck an der Verstärkungsstruktur, wodurch ein planes, steifes Verbundbauteil bereitgestellt wird.
Eine weitere Verstärkungsstruktur ist in 10 gezeigt. Drähte 1001 und 1002, die jeweils zwei einander überlagerte Wellenformen aufweisen, sind in einem gewobenem Gewebe als Kette und Schuss vorhanden. Zusätzlich ist eine Polymermatrix 1003 vorgesehen und haftet vermittels Wärme und/oder Druck an der Verstärkungsstruktur, wodurch ein planes, steifes Verbundbauteil bereitgestellt wird.
Ein weiteres steifes Verbundbauteil ist in 11 gezeigt. Spiralförmige Drähte 1101 und 1102 werden als Ketten- und Schusselemente verwendet, wodurch ein gewobenes Gewebe bereitgestellt wird. Zusätzlich ist eine Polymermatrix 1103 vorgesehen und haftet vermittels Wärme und/oder Druck an der Verstärkungsstruktur, wodurch ein planes, steifes Verbundbauteil bereitgestellt wird.
Eine andere Verstärkungsstruktur, die verwendet wird, um ein erfindungsgemäßes steifes Verbundbauteil bereitzustellen, ist ein gewobenes Textilgewebe 1201, das in 12 gezeigt ist und gewellte Drähte als metallisches Element 1202 beinhaltet. Metallische Elemente 1202 sind in der Ketten- oder der Schussrichtung in dem gewobenen Gewebe vorhanden, während für die andere Richtung des gewobenen Gewebes, die die Schuss- beziehungsweise die Kettenrichtung ist, Polymerfilamente 1203 vorgesehen sind. Diese Filamente können aus dem gleichen oder einem anderen Polymer als die Polymermatrix des steifen Verbundbauteils hergestellt sein. Alternativ kann etwas Polymermaterial als Beschichtung auf den metallischen Elementen oder auf einer Anzahl von metallischen Elementen vorhanden sein, um Streifen zu bilden.
Das Gesamtvolumen des thermoplastischen Materials, das als Filament und/oder Beschichtung vorhanden ist, kann sogar mehr als 40% des Gesamtvolumen des gewobenen Gewebes ausmachen.
Das Polymerfilament 1203 kann alternativ durch Polymerstreifen ersetzt werden, die eine Breite vorzugsweise in dem Bereich von 1 bis 10 mm und eine Dicke vorzugsweise zwischen 20 und 300 μm aufweisen.
Eine Verstärkungsstruktur kann eine oder mehrere Verstärkungsschichten beinhalten, wobei jede ein derartiges, oben beschriebenes Textilgewebe sein kann.
Es hat sich für alle Ausführungsformen herausgestellt, dass die Haftung zwischen dem metallischen Element und der Polymermatrix durch eine Beschichtung der metallischen Elemente beeinflusst werden kann. Für PA-Matrizen kann eine Beschichtung aus Messing, Zink oder einer Zinklegierung auf dem metallischen Element die Haftung zwischen Polymermatrix und metallischem Element verbessern. Eine mögliche Zinklegierung ist eine Legierung mit 2 bis 10% A1 und 0,1 bis 0,4% eines Seltenerdelements wie beispielsweise La und/oder Ce.
Eine weitere Verbesserung der Haftung kann durch die Anwendung von Haftungspromotoren wie Silanverbindungen, Aluminate, Zirkonate oder Titanate erzielt werden.
Es versteht sich, dass durch die Verwendung von anderen Polymermatrizen wie beispielsweise PE, PP, PS, PET, PEN, PBT, PVC, PA, PI, PC, SAN, ABS, TPU, TPO, thermoplastischem Copolyätherester, Copolymeren dieser Polymere oder ähnlichen Materialien andere Ausführungsformen erhalten werden. Jede dieser Ausführungsformen ist hinsichtlich der Beschichtungen oder der Verwendung von Haftungspromotoren auf ähnliche Weise beeinflusst.
Einem Fachmann ist klar, dass für alle Ausführungsformen die Legierungsart des verwendeten Metalls, die Durchmesser, die Querschnittsformen und andere physikalische Eigenschaften der Drähte, Litzen oder Seile die Festigkeit der metallischen Elemente beeinflussen werden.
Es ist klar, dass alle metallischen Elemente eine gewellte Struktur oder eine raue Struktur aufweisen, die die mechanische Verankerung des Polymermaterials um das metallische Element verbessert.

Claims

Verstärkungsstruktur enthaltende einem oder mehreren Textilgeweben, wobei zumindest eines der Textilgewebe metallische Elemente enthält, die Metalldrähte, Bündel aus Metalldrähten, Metalllitzen oder Metallseile sind und eine Textildeformation aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Elemente zumindest eine von der Textildeformation verschiedene strukturelle Deformation aufweisen.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1, wobei das metallische Element 2 strukturelle Deformationen aufweist.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest eine der strukturellen Deformationen eine Wellenform ist.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest eine der strukturellen Deformationen eine spiralförmig geformte strukturelle Verformung ist.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei die strukturellen Deformationen Wellenformen sind.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 4, wobei die Wellenformen in einer zu der Achse des metallischen Elements parallelen Ebene liegen.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 5, wobei die Wellenformen in verschiedenen Ebenen liegen, die parallel zu der Achse des metallischen Elements sind.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 bis 7, wobei das metallische Element ein Draht ist.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 bis 7, wobei das metallische Element eine Seil ist.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 bis 9, wobei das metallische Element eine Bruchdehnung von mehr als 3% aufweist.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 bis 10, wobei das metallische Element eine Dehnung von mehr als 0,3% bei einer Kraft von 10% im Vergleich zu der Bruchkraft des metallischen Elements hat.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 bis 11, wobei das Textilgewebe ein Strichware ist.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 bis 11, wobei das Textilgewebe ein gewobenes Gewebe ist.
Verstärkungsstruktur nach Anspruch 13, wobei die metallischen Elemente sowohl in der Kette als auch dem Schuss des gewobenen Textilgewebes vorliegen.
Verwendung einer Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 bis 14 zur Verstärkung eines steifen Verbundbauteils, wobei das steife Verbundbauteil weiterhin eine Polymermatrix mit einem Youngscher Modul von mehr als 10⁷ Pa umfasst.
Steifes Verbundbauteil mit einer Polymermatrix und einer Verstärkungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Polymermatrix ein Youngscher Modul von mehr als 10⁷ Pa besitzt.
Verfahren zur Herstellung eines steifen Verbundbauteils mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Verstärkungsstruktur nach Anspruch 1 bis 14 und einer Polymermatrix mit einem Youngscher Modul von mehr als 10⁷ Pa, – Ausbilden des steifen Verbundbauteils durch Beaufschlagen der Verstärkungsstruktur und der Polymermatrix mit Wärme und/oder Druck.