DE60013018T2

DE60013018T2 - Gewebe und Verbundwirkstoff mit verbessertem Widerstand gegen das Zusammendrücken des Kerns für faserverstärkte Verbundwirkstoffe

Info

Publication number: DE60013018T2
Application number: DE60013018T
Authority: DE
Inventors: Hao-ming San Ramon Hsiao; Robert Albert Clayton Buyny; Shaw Ming Danville Lee; Carey Joseph Pleasanton Martin
Original assignee: Hexcel Corp
Current assignee: Hexcel Corp
Priority date: 1999-03-23
Filing date: 2000-03-20
Publication date: 2005-06-16
Anticipated expiration: 2020-03-21
Also published as: DE60024099T2; AU2245700A; DE60024099D1; US20020009935A1; US20010046600A1; EP1205508A3; ES2223402T3; EP1046666A1; US6261675B1; US6475596B2; ATE310043T1; AU767220B2; EP1205509A3; ATE274021T1; EP1205509A2; EP1205507B1; EP1205507A2; ES2250291T3; DE60013018D1; US6663737B2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf Sandwichverbundstrukturen, vorzugsweise Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern sowie Gewebe- und Prepreg-Komponenten für solche Verbundstrukturen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf gegen das Zusammendrücken des Kerns beständige Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern, insbesondere Verbundstrukturen, wie sie in der Luft- und Raumfahrtindustrie Verwendung finden, sowie Gewebe und Prepregs zur Herstellung solcher Sandwichverbundstrukturen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern sind weit verbreitet in der Luft- und Raumfahrtindustrie als Instrumententafel-Komponenten verschiedener Luft- und Raumfahrtkonstruktionen. Die Verbundstrukturen mit Wabenkern werden aus einem aufgelegten Verstärkungsmaterial von Prepreg-Hautlagen geformt, die einen Wabenkern enthalten, der normalerweise abgeschrägte Kanten aufweist. Die Prepreg-Lagen können Gewebe, Bänder oder Nonwoven-Stoffe sein, die mit einem hitzehärtbaren, thermoplastischen oder anderen Polymerharz vorimprägniert wurden. Die zur Ausformung der Prepregs verwendeten Gewebe sind Webstoffe, die vornehmlich oder vollständig aus Hochmodul-Verstärkungsfasern in Form von Endlos-Filamentsträngen ausgebildet werden. Das Härten des aufgelegten Verstärkungsmaterials erfolgt in einer Umgebung mit hoher Temperatur und hohem Druck, normalerweise in einem Autoklav.
Die technischen Anforderungen der Endanwendung in der Luft- und Raumfahrt beinhalten allgemein, dass die Prepregs und Prepreg-Komponenten strengen chemischen, physikalischen und mechanischen Vorschriften entsprechen, darunter Gesamt-Prepreg-Basisgewicht, Fasermodul und Harzfließgeschwindigkeit. Das Basisgewicht des Prepreg und die hochfesten Eigenschaften der Fasern und des Harzes, verbunden mit den Festigkeitseigenschaften der Wabenkern-Komponente, verleihen der endgültigen Verbundstruktur ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und ein hohes Steifigkeits-Gewichts-Verhältnis. Zusätzlich wird durch die Fließgeschwindigkeitseigenschaften des Harzes und die beim Härten der Verbundstruktur angewandten hohen Drücke die Porosität minimiert, d.h. also Einschlüsse von Hohlräumen und Durchgangslöchern, die die Festigkeit, die angestrebte Undurchdringlichkeit und/oder die Oberflächenglätte der endgültigen Waben-Sandwichstruktur der Instrumententafel beeinträchtigen könnten.
Wenngleich Instrumententafeln aus Verbundmaterial mit Wabenkern in der Luft- und Raumfahrtindustrie bereits seit langer Zeit verwendet wurden, leidet die Herstellung dieser Strukturen nach wie vor unter hohen Ausschussmengen, wobei beträchtliche Mengen von unbrauchbarem Schrott anfallen und die Wirtschaftlichkeit der Fertigung negativ beeinflusst wird. Das teilweise Zusammenfallen des Wabenkerns beim Härten des Verbundmaterials, in der Industrie als "Zusammendrücken des Kerns" bekannt, ist ein besonders häufiger Grund für die Zurückweisung gehärteter Instrumententafeln. Das Zusammendrücken des Kerns wird normalerweise in der abgeschrägten Kante oder im Fasenbereich eine Wabenstruktur aufweisenden Teils beobachtet.
Auf die Lösung des Problems der zusammengedrückten Kerne wurden viele Jahre erhebliche Anstrengungen und Forschungsarbeiten verwendet. So offenbart beispielsweise das an Hopkins erteilte US-Patent 5,685,940 ein verbessertes Befestigungsverfahren, um bei Sandwichstrukturen mit Waben das Zusammendrücken des Kerns und die Faltenbildung der Lagen hervorzurufen oder zu verhindern. Ein mit Gaze unterlegter Sperrfilm wird zwischen faserverstärkte Harzverbundlaminate und Wabenkern platziert, um ein Verlaufen des Harzes aus dem Prepreg in den Wabenkern zu verhindern. Eine Befestigungslage zwischen Kern und Sperrfilm wird verwendet, um ein Verrutschen des Sperrfilms im Verhältnis zum Kern während des Härtens zu verhindern. Ferner wird zwischen die Befestigungslagen, unmittelbar außerhalb der Netzbesatzlinie, ein Klebfilm platziert, dessen Härtungstemperatur geringer ist als diejenige des Laminatharzes. Während des Härtungsprozesses verklebt der gehärtete Klebfilm die Befestigungslagen untereinander, bevor die Prepreg-Laminate gehärtet werden, sodass die Befestigung gestärkt und das Zusammendrücken des Kerns reduziert wird. Das Hopkins-Patent erörtert auch andere Verfahren und konstruktive Änderungen, die im Hinblick auf die Minimierung oder die Beseitigung des Zusammendrückens des Kerns vorgeschlagen wurden. Dessen ungeachtet bleibt das Zusammendrücken des Kerns für die Industrie ein signifikantes Problem.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ermöglicht ein gegen das Zusammendrücken des Kerns beständiges Prepreg für den Einsatz bei der Herstellung einer faserverstärkten Sandwichverbundstruktur. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Prepreg kann das Ausmaß des Zusammendrückens des Kerns im Vergleich zu den bisher bekannten Strukturen signifikant verringert werden.
Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wurde festgestellt, dass das mit Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern verbundene Problem des Zusammendrückens des Kerns durch eine kontrollierte Veränderung der Konstruktion des zum Präparieren des Prepreg verwendeten Gewebes signifikant reduziert werden kann. Insbesondere wurde festgestellt, dass das Zusammendrücken des Kerns durch eine kontrollierte Veränderung des Querschnitts-Seitenverhältnisses des Kohlefaserstrangs in dem Prepreg, der mittels Sichtkontrolle gemessenen durchschnitt lichen Prepeg-Dicke und der Prepreg-Offenheit erheblich reduziert werden kann. Insbesondere umfassen erfindungsgemäße Prepregs einen Webstoff, der im Wesentlichen aus Kohlefaserwergsträngen besteht, die mit einer härtbaren Polymerharzzusammensetzung imprägniert sind, wobei der Stoff ein durchschnittliches Flächengewicht im Bereich von etwa 150 bis 400 Gramm pro Quadratmeter hat. Die Harzzusammensetzung weist eine durchschnittliche Epoxidharzfunktionalität größer als 2,0 und einen tan δ zwischen 1,0 und etwa 2,0 bei 70°C, zwischen etwa 0,7 und etwa 2,0 bei 100°C und zwischen etwa 0,5 und etwa 2,0 bei 140°C bzw. der höchsten Temperatur der minimalen Harzviskosität auf. Das Prepreg weist ein durchschnittliches Faserwerg-Seitenverhältnis von weniger als etwa 15,5, eine durchschnittliche Prepreg-Dicke von mindestens etwa 0,245 mm und eine Offenheit von mindestens 1,0%, aber weniger als etwa 10,0%, auf.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird erfindungsgemäß angenommen, dass das durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis, die Prepreg-Offenheit und die Prepreg-Dicke die Reibungskraft zwischen Prepreg-Lagen während des Härtungsschritts bei der Herstellung von Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern bestimmen. Werden die Prepreg-Eigenschaften Werg-Seitenverhältnis, Prepreg-Dicke und Prepreg-Offenheit innerhalb der oben genannten Bereiche gehalten, entsteht eine ausreichende Reibungskraft zwischen den Prepreg-Lagen in der Weise, dass die inneren, an den Wabenkern angrenzenden Prepreg-Lagen daran gehindert werden, während des Härtungsprozesses zu verrutschen, sodass ein Zusammendrücken des Kerns ausgeschaltet oder minimiert wird.
Gemäß der Erfindung wurde auch festgestellt, dass, wenn Werg-Seitenverhältnis, Prepreg-Dicke und Prepreg-Offenheit in Richtung auf eine Minimierung des Zusammendrückens des Kerns optimiert werden, die Porosität der fertigen Wabenkern-Sandwichverbundstruktur inakzeptabel sein kann. Die Porosi tätsprobleme können besonders bei dickeren Sandwichverbundstrukturen vorherrschen und insbesondere dann, wenn zum Imprägnieren des Prepreg ein Harzsystem mit geringer Fließgeschwindigkeit verwendet wird. Die Erfindung bedient sich einer härtbaren Polymerharzzusammensetzung, deren Fließgeschwindigkeit größer ist als die Fließgeschwindigkeit von Harzen, die in der kommerziellen Praxis der Luft- und Raumfahrtindustrie in Prepregs für Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern verwendet werden, um in der fertigen Verbundstruktur eine akzeptable Porosität aufrechtzuerhalten. Daher werden erfindungsgemäße Prepregs mit einer härtbaren Zusammensetzung aus Polymerharz imprägniert, die von hauptsächlich viskoser Beschaffenheit ist, sodass das Verhältnis zwischen viskosen und elastischen Komponenten der Viskosität, d.h. tan δ, innerhalb der nachstehend definierten Bereiche liegt.
Vor einer signifikanten Vernetzung oder Härtung von Harz weist die bei dieser Erfindung verwendete Harzzusammensetzung vorzugsweise einen tan δ zwischen etwa 1,2 und etwa 2,0, vorzugsweise zwischen etwa 1,5 und etwa 1,8, weiter vorzugsweise von etwa 1,35, bei 70°C oder einen tan δ zwischen etwa 0,7 und etwa 2,0, vorzugsweise zwischen etwa 0,9 und etwa 1,8, weiter vorzugsweise von etwa 1,35, bei 100°C oder einen tan δ zwischen etwa 0,5 und etwa 1,7, vorzugsweise zwischen etwa 0,7 und etwa 1,5, weiter vorzugsweise von etwa 1,35, bei 140°C auf.
Der tan δ der Harzzusammensetzung beträgt vorzugsweise von etwa 0,5 bis etwa 2,0, weiter vorzugsweise zwischen etwa 1,0 und etwa 1,8 und noch weiter vorzugsweise von etwa 1,35 im gesamten Hochtemperaturbereich von etwa 70°C bis etwa 140°C oder, wenn die Mindestviskositätstemperatur unter 140°C liegt, im Bereich von etwa 70°C bis zur Mindestviskositätstemperatur.
Vor einer signifikanten Vernetzung oder Härtung weist die Harzzusammensetzung vorzugsweise einen tan δ zwischen etwa 1,0 und etwa 2,0, weiter vorzugsweise zwischen etwa 1,2 und etwa 1,8 bei etwa 70°C, zwischen etwa 0,7 und etwa 2,0, weiter vorzugsweise zwischen etwa 1,0 und etwa 1,7 bei etwa 100°C und zwischen etwa 0,5 und etwa 2,0, weiter vorzugsweise zwischen etwa 0,6 und etwa 1,7 bei etwa 140°C oder der Mindestviskositätstemperatur auf, wenn die Mindestviskositätstemperatur unter 140°C liegt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Prepreg zur Erzielung einer guten Beständigkeit gegen das Zusammendrücken des Kerns bei gleichzeitiger Minimierung der Porosität in Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern bereitgestellt, das in Kett- und Schussrichtung unterschiedliche Werg-Seitenverhältnisse aufweist. Insbesondere wurden Prepregs nach dem bekannten Stand der Technik unter Verwendung identischer Kohlefaserwergstränge als Kett- und Schusskomponenten präpariert. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung wurde festgestellt, dass unterschiedliche Kohlefaserwergkonstruktionen unterschiedliche Werg-Querschnittsseitenverhältnisse aufweisen. Durch Verwendung unterschiedlicher Wergstränge zur Bildung der Kett- und Schusskomponenten der Gewebekomponente des Prepreg ist es möglich, die Reibungseigenschaften des Prepreg zu optimieren und auszugleichen und dadurch die Beständigkeitseigenschaften gegen das Zusammendrücken des Kerns am Prepreg zu minimieren, während gleichzeitig jede größere Porositätserhöhung in der fertigen Verbundstruktur minimiert wird. Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung wird das Prepreg aus verschiedenen Kohlefaserwergsträngen in Kett- und Schussrichtung geformt. Das Prepreg hat ein Werg-Seitenverhältnis von nicht mehr als etwa 13,0 in Kett- oder Schussrichtung und ein Werg-Seitenverhältnis von mindestens etwa 13,5 in der anderen Kett- oder Schussrichtung. Darüber hinaus besitzt das Prepreg eine Offenheit von nicht mehr als etwa 5,0%. Das Prepreg hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,250 mm bis etwa 0,275 mm. Prepregs gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung, d.h. Gewebe mit Hybrid-Werg-Seitenverhältnissen, eignen sich gut für eine Vielzahl von Harzsystemen, zum Beispiel solche mit unterschiedlicher Rheologie.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Prepreg bereitgestellt, das in dem harzimprägnierten Gewebe zwei Stränge mit einer vorbestimmten, im Wesentlichen stabilen, nicht runden Querschnittsform aufweist. Solche Wergstränge weisen vorzugsweise ein durchschnittliches Faserwerg-Seitenverhältnis von etwa 12,0 bis etwa 14,5 und eine Prepreg-Offenheit von nicht mehr als etwa 5,0% auf. Es wurde festgestellt, dass solche Prepregs sowohl das Zusammendrücken des Kerns als auch die Porosität in faserverstärkten Verbundstrukturen erheblich reduzieren können.
Die erfindungsgemäßen Prepregs sind somit in der Lage, das Zusammendrücken des Kerns und die Porosität in Verbundstrukturen mit Wabenkern wesentlich zu reduzieren. Der Verstärkungs- und/oder Härtungsprozess bei der Herstellung der Instrumententafeln wird dadurch jedoch nicht komplizierter. Ferner führt die vorliegende Erfindung auch keine von der Norm abweichenden und ungewöhnlichen Komponenten in die Verbundstruktur ein. Die Erfindung kann somit das Zusammendrücken des Kerns wesentlich reduzieren und wesentlich geringere Zurückweisungsraten bewirken, ohne eine umfangreiche Veränderung der an sich bekannten Verfahren und/oder Verstärkungsmaterialanordnung bei der Herstellung von Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern zu erfordern. Da außerdem verschiedene Faserwergstränge erfindungsgemäß so manipuliert werden können, dass wünschenswerte Prepreg-Eigenschaften entstehen, um so das Zusammendrücken des Kerns zu reduzieren, verschafft diese Erfindung Prepreg-Herstellern größere Freiheit bei der Auswahl von Faserwerg oder Geweben für den Einsatz bei der Herstellung von Prepregs und macht sie somit weniger von besonderen Spezialfaserwerg-Herstellern abhängig.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 veranschaulicht einen Webstoff zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Prepreg;
2 veranschaulicht ein aus dem Webstoff von 1 durch Harzimprägnierung desselben hergestelltes Prepreg;
2A ist eine schematische Darstellung des Querschnitts des Prepreg von 2 entlang der Linie 2A–2A desselben und veranschaulicht die Dicke des Prepreg und das Seitenverhältnis der Wergstränge in einer Richtung des Prepreg;
2B veranschaulicht den Querschnitt eines Prepreg entlang der Mittellinie eines Wergstrangs in einer Richtung eines Prepreg, woraus die Dicke des Prepreg und die vorbestimmte, im Wesentlichen stabile runde Querschnittsform wie auch das Werg-Seitenverhältnis der beiden Stränge in der anderen Prepreg-Richtung hervorgehen;
2C veranschaulicht den Querschnitt eines Prepreg entlang der Mittellinie eines Wergstrangs in einer Richtung eines Prepreg, woraus die Dicke des Prepreg und die vorbestimmte, im Wesentlichen stabile nicht runde Querschnittsform wie auch das Werg-Seitenverhältnis der beiden Stränge in der anderen Prepreg-Richtung hervorgehen;
3 veranschaulicht einen Webstoff zur Verwendung bei dem erfindungsgemäßen Prepreg, in dem die Schussstränge eine andere Strangkonstruktion und ein anderes Seitenverhältnis als die Kettenstränge aufweisen;
4 veranschaulicht ein aus dem Webstoff von 3 hergestelltes Prepreg;
4A veranschaulicht den Querschnitt des Prepreg von 4 entlang der Linie 4A–4A und das Werg-Seitenverhältnis in einer ersten Richtung;
4B veranschaulicht den Querschnitt des Prepreg von 4 entlang der Linie 4B–4B und das Werg-Seitenverhältnis in der anderen Richtung;
5 ist eine grafische Darstellung der Korrelation zwischen Prepreg-Dicke und Grad des Zusammendrückens des Kerns in Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern;
6 ist eine grafische Darstellung der Korrelation zwischen dem durchschnittlichen Faserwerg-Seitenverhältnis und dem Grad des Zusammendrückens des Kerns in Sandwichverbundstrukturen mit Wabenkern;
7 ist ein Diagramm einer gegen das Zusammendrücken des Kerns beständigen Standard-Instrumententafel zum Testen der erfindungsgemäßen Prepreg-Eigenschaften gegen das Zusammendrücken des Kerns;
7A ist eine Querschnittsansicht der gegen das Zusammendrücken des Kerns beständigen Instrumententafel von 7 entlang der Linie A–A und veranschaulicht das aufgelegte Verstärkungsmaterial der Prepreg-Lagen und den Wabenkern vor dem Härten; und
8 ist ein Diagramm, das die Ermittlung der Fläche des Zusammendrückens des Kerns in einer gegen das Zusammendrücken des Kerns beständigen Standard-Instrumententafel veranschaulicht.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher beschrieben. Die vorliegende Erfindung kann jedoch in zahlreichen unterschiedlichen Formen ausgeführt werden und sollte nicht so betrachtet werden, dass sie auf die hierin dargestellten Ausführungsformen beschränkt ist; diese Ausführungsformen werden lediglich angeführt, damit die vorliegende Offenbarung gründlich und vollständig ist und dem Fachmann der volle Umfang der Erfindung vermittelt wird. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich insgesamt auf gleiche Elemente.
1 zeigt einen Webstoff 10, der zur Herstellung des erfindungsgemäßen Prepreg eingesetzt werden kann. Wenngleich andere, an sich bekannte Gewebe wie Maschenware und Vliesmaterial verwendet werden können, wird Webstoffen der Vorzug gegeben. Ferner kann eine Vielzahl von Wergstrangausrichtungen, z.B. ± 45°, 0°/90° usw., angewandt werden, um für diese Erfindung geeignete Gewebe herzustellen. Normalerweise wird einem zweidimensionalen, biaxial gewebten Stoff der Vorzug gegeben. Der Webstoff 10 weist eine Vielzahl von Kett-Wergsträngen 12 auf, die mit einer Vielzahl von Schuss-Wergsträngen 14 verwebt wird. Die Begriffe "Werg" und "Wergstrang" werden hier austauschbar verwendet und bezeichnen das zur Herstellung eines Webstoffs benutzte Garn. Wie aus der nachstehenden Beschreibung ersichtlich, ist jedes Werg oder jeder Wergstrang im Wesentlichen ein Bündel aus einer Vielzahl von Faserfilamenten. Die Begriffe "Kette" und "Schuss", wie sie hier verwendet werden, bezeichnen die beiden unterschiedlichen Richtungen, in denen die Wergstränge in einem zweidimensionalen Webstoff ausgerichtet sind. Wenngleich Kettstränge im Textilbereich normalerweise als Garne bezeichnet werden, die parallel zur Webkante oder längeren Abmessung eines Gewebes verlaufen, können der Begriff "Kette", wie er hier verwendet wird, jede der beiden Richtungen und der Begriff "Schuss" die jeweils andere Richtung bezeichnen.
Wie bei dem Gewebe 10 veranschaulicht, bilden die ineinander verwebten Kett-Wergstränge 12 und die Schuss-Wergstränge 14 eine Vielzahl von Öffnungen 16. Die Öffnungen 16 sind normalerweise quadratische oder rechteckige Öffnungen, d.h. die Kett- und Schussfäden kreuzen einander im Wesentlichen im rechten Winkel. Wenngleich andere Gewebemuster wie Würfelbindung, Fliegen-Atlasbindung, Dreherbindung, Scheindreherbindung oder unidirektionale Bindung verwendet werden können, wird für die Herstellung des erfindungsgemäßen Prepreg den Bindungsarten Atlas-, Köper- und Leinwandbindung der Vorzug gegeben. Wie dem Fachmann bekannt ist, verläuft in einem Leinwandbindungsmuster gemäß 1 jeder Kett-Wergstrang in abwechselnden Reihen nacheinander über und unter jedem einzelnen Kettgarn. Bei einem Atlasbindungsmuster übertreffen die Kett-Wergstränge zahlenmäßig die Schuss-Wergstränge und sind durch flottierende Fäden gekennzeichnet, die auf der Vorderseite in Kett-Richtung so verlaufen, dass sie Licht reflektieren und so Glanz, Lüster oder Schein erzeugen. Normalerweise flottiert jeder Schuss-Wergstrang über zwei oder mehr Kett-Strängen. Bei Köperbindungen sind die Stränge verflochten, und es entstehen vorherrschend Muster mit diagonalen Linien. Normalerweise ist eine Reihe von flottierenden Fäden in Kett-Richtung in einem bestimmten Muster versetzt angeordnet, entweder nach links (S-Grat-Köper), nach rechts (Z-Grat-Köper) oder gleichermaßen nach links und rechts in Zickzack-Anordnung (gebrochener Köper), wobei keine diagonalen Linien entstehen.
Jeder Wergstrang 12 und 14 wird, wie erkennbar sein wird, aus einer Vielzahl von Endlosfilamenten gebildet. Die Begriffe "Filament" und "Faser" werden hier austauschbar verwendet und bezeichnen eine einzelne Faser oder ein Filament des aus vielen Fasern oder vielen Filamenten bestehenden Strangs. Zur Bildung der Stränge können mehrere unterschiedliche Hochmodul-Verstärkungsfasern wie Kohlefasern, Glasfasern oder Aramid verwendet werden. Kohlefasern finden bevorzugt Verwendung. Der Grund dafür ist, dass sie im Allgemeinen wünschenswerte Eigenschaften, wie hohe Zugreißfestigkeit, einen hohen Modul sowie geringe Dichte und gute Beständigkeit, gegenüber ungünstigen Umweltfaktoren, wie hohe Temperatur, hohe Feuchtigkeit und hoher Säuregrad, aufweisen. Wie dem Fachmann bekannt ist, werden Kohlefasern im Allgemeinen durch Umwandlung verschiedener organischer Vorläufer-Polymerfasermaterialien bei hoher Temperatur in eine kohlenstoffhaltige Form umgewandelt, wobei die ursprüngliche faserige Beschaffenheit im Wesentlichen intakt bleibt, abgesehen davon, dass die Faserquerschnittsgröße normalerweise abnimmt und/oder die Faserquerschnittsform sich wegen der Streckwirkung bei der Karbonisationsverarbeitung ändern kann. Für die Zwecke dieser Erfindung kann die Karbonisation im Allgemeinen entweder vor oder nach dem Bündeln der Vorläuferfilamente zu einem Strang stattfinden.
Die Begriffe "Kohlefasern" oder "kohlenstoffhaltige Fasern", wie sie hier verwendet werden, bezeichnen im Allgemeinen Graphitfasern und amorphe Kohlefasern. Graphitfasern bestehen im Wesentlichen aus Kohlenstoff und weisen vorwiegend ein für Graphit charakteristisches Röntgenbeugungsbild auf. Amorphe Kohlefasern sind gewöhnlich Fasern, die im Wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen und ein im Wesentlichen amorphes Röntgenbeugungsbild aufweisen.
Die normalerweise für die Wergstränge verwendeten Kohlefasern sind strukturelle Textilfasern und besitzen einen Standard-Zugmodul oder Youngschen Elastizitätsmodul von mehr als etwa 10 × 10⁶ psi, z.B. von etwa 10 × 10⁶ psi bis etwa 120 × 10⁶ psi, vorzugsweise von etwa 20 × 10⁶ psi bis etwa 100 × 10⁶ psi, noch weiter vorzugsweise von etwa 25 × 10⁶ psi bis etwa 75 × 10⁶ psi und noch weiter vorzugsweise von etwa 30 × 10⁶ psi bis etwa 45 × 10⁶ psi. Geeignete Kohlefasern sollten einen individuellen Denier-Wert von etwa 0,2 bis etwa 1,0 g/9000 m, vorzugsweise von etwa 0,3 bis etwa 0,8 g/9000 m, weiter vorzugsweise von etwa 0,4 bis etwa 0,7 g/9000 m und noch weiter vorzugsweise von etwa 0,55 bis etwa 0,65 g/9000 m aufweisen. Der Durchmesser jedes einzelnen Kohlefaserfilaments kann in dem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 50 μm, vorzugsweise von etwa 1 bis etwa 25 μm, weiter vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 15 μm und noch weiter vorzugsweise etwa 10 μm liegen.
Jeder Kohlefaserwergstrang kann eine Gesamtfilamentzahl von etwa 1.000 bis etwa 80.000, vorzugsweise von etwa 2.000 bis etwa 50.000, weiter vorzugsweise von etwa 3.000 bis etwa 18.000 und noch weiter vorzugsweise von 3.000 bis etwa 12.000 aufweisen. Eine typische Filamentzahl eines Faserwergstrangs kann beispielsweise 3.000, 6.000, 12.000, von etwa 1.000 bis weniger als etwa 3.000 oder mehr als 3.000, jedoch nicht mehr als 18.000, sein. Das für das erfindungsgemäße Prepreg eingesetzte Gewebe sollte normalerweise ein durchschnittliches Flächengewicht von etwa 150 bis etwa 400 Gramm pro Quadratmeter, vorzugsweise von etwa 160 bis 250 Gramm pro Quadratmeter, weiter vorzugsweise von etwa 180 bis 205 Gramm pro Quadratmeter und noch weiter vorzugsweise von etwa 185 bis etwa 201 Gramm pro Quadratmeter aufweisen. Wie dem Fachmann klar sein wird, eignet sich ein Gewebe mit einem Flächengewicht innerhalb dieser Bereiche besonders gut zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstrukturen für den Einsatz in der Luftfahrt.
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Prepreg wird das oben beschriebene Gewebe mit einer Polymermatrix-Harzzusammensetzung imprägniert. Im Allgemeinen eignen sich alle für das Imprägnieren von Prepregs zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstrukturen verwendeten Harzzusammensetzungen für die Anwendung im Rahmen dieser Erfindung. Sol che geeigneten Harzzusammensetzungen werden zum Beispiel in dem an Moulton et al. erteilten US-Patent Nr. 4,599,413, dem an Kishi et al. erteilten US-Patent Nr. 5,626,916 und der von Kishi et al. eingereichten europäischen Patentanmeldung EP 0819723 A1 , auf die in diesem Patent durchweg Bezug genommen wird, offenbart.
Eine geeignete Harzzusammensetzung enthält normalerweise von etwa 40 bis etwa 95 Gew.-% Polymermatrixharz, von etwa 5 bis etwa 40 Gew.-% Härtungsmittel und von etwa 0 bis etwa 20 Gew.-% eines Verlaufmittels. Ein Beispiel für ein geeignetes Polymermatrixharz ist Epoxidharz. Polymermatrixharze werden auf verschiedenste Weise verarbeitet, wie zum Beispiel durch Aushärten einer Flüssigkeit, Schmelzen, Schäumen und Lösungsmittelaktivierung. Einem hitzehärtbaren Epoxidharz wird jedoch am ehesten der Vorzug gegeben, insbesondere Epoxidharzen, die von Aminen, Phenolen oder Vinylverbindungen abgeleitet sind. Wie dem Fachmann bekannt ist, nutzen Epoxidharze Epoxidgruppen als funktionelle Gruppe bei der Härtungsreaktion. Zu den geeigneten hitzehärtbaren Epoxidharzen können, ohne daß die folgende Aufzählung einschränkend wäre, Diglycidyl-p-Aminophenol, Triglycidyl-Aminocresol, Triglycidyl-p-Aminophenol, Tetraglycidyldiaminodiphenylmethan, Tetraglycidylether von Methylendianilin, Bisphenol-A-Typ-Epoxidharze wie Diglycidylether oder Bisphenol-A, Bisphenol-F-Typ-Epoxidharze wie Diglycidylether von Bisphenol-F, Bisphenol-S-Typ-Epoxidharze, Phenol-Novolak-Typ-Epoxidharze, Cresol-Novolak-Typ-Epoxidharze, Resorcin-Typ-Epoxidharze, Epoxidharze mit Naphthalin-Gerippe, Biphenyl-Typ-Epoxidharze, Dicyclopentadien-Typ-Epoxidharze und Diphenylfluoren-Typ-Epoxidharze usw. gehören. Diese Harze können einzeln oder in geeigneten Kombinationen verwendet werden. Bevorzugte Epoxidharze sind solche mit einer Epoxidfunktionalität von mindesens 2,0, vorzugsweise über 2, wegen der bei der Endanwendung in der Luft- und Raumfahrt gestellten technischen Anforderungen. Mit anderen Worten, bifunktionellen, trifunktionellen oder höherfunk tionellen Epoxidharzen wird der Vorzug gegeben. Besonders bevorzugt wird Epoxidharz vom Glycidylamin-Typ und Epoxidharz vom Glycidylether-Typ mit einer Funktionalität von mehr als 2.
Härtungsmittel sind Verbindungen mit einer aktiven Gruppe, die mit einer funktionellen Gruppe im Polymerharz, zum Beispiel einer Epoxidgruppe eines Epoxidharzes, reagieren kann. Geeignete Härtungsmittel für Epoxidharze sind u.a., ohne daß jedoch die folgende Aufzählung einschränkend wäre, Diaminodiphenylmethan, Diaminodiphenylsulfon, verschiedene substituierte Harnstoffe, Aminobenzoate, verschiedene Säureanhydride, verschiedene Isomere von Dicyandiamid, Phenol-Novolak-Harze, Cresol-Novolak-Harze, Polyphenolverbindungen, Imidazolderivate, aliphatische Amine, Tetramethylguanidin, Carboxylanhydride, Carboxylsäurehydrazide, Carboxylsäureamide, Polymercaptan, Lewis-Säure-Komplexe wie ein Bortrifluoridethylaminkomplex und die verschiedenen heterozyklischen multifunktionalen Aminaddukte, wie sie in den vorgenannten US-Patenten Nr. 4,427,802 und 4,599,413 offenbart werden. Jedes der obigen Härtungsmittel kann entweder in der erfindungsgemäßen Harzzusammensetzung einzeln oder in verschiedenen Kombinationen verwendet werden.
Wie dem Fachmann wohl bekannt ist, dienen Verlaufmittel in einer Harzzusammensetzung der Einstellung der Viskoelastizität der Harzzusammensetzung. Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Verlaufmittel kommen häufig mit Harzzusammensetzungen zum Einsatz, um die mechanische Leistung des gehärteten Verbundartikels zu modifizieren, zum Beispiel durch Herbeiführung von Zähigkeit. Zu den geeigneten Verlaufmitteln können, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, zum Beispiel feste Kautschukarten, flüssige Kautschukarten, thermoplastische Harzelastomere, organische und anorganische Teilchen sowie kurze Fasern gehören. Bestimmte Thermoplaste, die in Epoxidharzen löslich oder teilweise löslich sind, kön nen ebenfalls als Verlaufmittel verwendet werden. Solche Thermoplaste sind zum Beispiel Polysulfone, Polyethersulfone, Polyetherimide und Polyethylenoxid u.a. Die verschiedenen Verlaufmittel können einzeln oder in Kombination verwendet werden.
Normalerweise schließt dies sowohl einen flüssigen Kautschuk oder ein Elastomer als auch einen festen Kautschuk oder ein Elastomer ein, die in den Epoxidharzen vollständig oder teilweise löslich sind. Wie dem Fachmann bekannt ist, nimmt die Temperaturabhängigkeit der Viskoelastizitätsfunktion der Harzzusammensetzung, wenn feste Kautschukarten in einer Epoxidharzzusammensetzung verwendet werden, ab, und die Oberflächenglätte der äußeren Schicht in der gehärteten, faserverstärkten Sandwichverbundstruktur nimmt zu. Der in der Harzzusammensetzung enthaltene feste Kautschuk und/oder flüssige Kautschuk umfasst vorzugsweise eine oder mehrere funktionelle Gruppen, wie Carboxylgruppen und Aminogruppen, die mit den Epoxidgruppen eines Epoxidharzes in der Harzzusammensetzung reagieren. Beispiele bevorzugter fester Kautschukarten sind u.a. fester Acrylnitrilbutadienkautschuk, hydrierter Nitrilkautschuk usw. Es können verschiedene weitere, dem Fachmann bekannte feste und flüssige Elastomere verwendet werden.
In der Harzzusammensetzung enthaltene teilchenförmige Verlaufmittel können ebenfalls als Füllstoffe oder Extender verwendet werden. Beispiele für solche Mittel sind u.a. rauchbehandelte Silika, Glimmer, Kalziumkarbonat, Kalziumphosphat, Glas, Metalloxide, Zellulose, Stärke, Ton, Diatomeenerde usw.
Andere Substanzen wie Katalysatoren, Antioxidanzien, Kettenverlängerer, reaktionsfähige Verdünnungsmittel und dergleichen, die dem Fachmann alle bekannt sind, können optional ebenfalls einbezogen werden. Wenngleich jede der oben beschriebenen Harzzusammensetzungen im Rahmen der vorliegenden Erfindung von Nutzen sein kann, ist dennoch die Verwendung einer Epoxidharzzusammensetzung vorzuziehen, die ein signifikantes viskoses Fließen aufweist, das größer ist als bei einigen der herkömmlichen Harze, wie sie in Prepregs gemäß dem bekannten Stand der Technik zur Herstellung von Verbundstrukturen für den Luftfahrtsektor verwendet werden. Insbesondere wird der Verwendung einer Epoxidharzzusammensetzung der Vorzug gegeben, in der die elastischen und viskosen Komponenten der Zusammensetzung ähnliche Größenordnungen aufweisen. Die bevorzugte Epoxidharzzusammensetzung sollte zum Beispiel einen tan δ aufweisen, der vor einer signifikanten Harzvernetzung oder -härtung in die nachstehend definierten Bereiche fällt:
Die erfindungsgemäß verwendete Harzzusammensetzung weist vorzugsweise einen tan δ zwischen etwa 1,2 und etwa 2,0, vorzugsweise zwischen etwa 1,5 und etwa 1,8, weiter vorzugsweise etwa 1,35, bei 70°C oder einen tan δ zwischen etwa 0,7 und etwa 2,0, vorzugsweise zwischen etwa 0,9 und etwa 1,8, weiter vorzugsweise etwa 1,35, bei 100°C oder einen tan δ zwischen etwa 0,5 und etwa 1,7, vorzugsweise zwischen etwa 0,7 und etwa 1,5, weiter vorzugsweise etwa 1,35, bei 140°C auf.
Der tan δ der Harzzusammensetzung beträgt vorzugsweise etwa 0,5 bis etwa 2,0, weiter vorzugsweise zwischen etwa 1,0 und etwa 1,8, noch weiter vorzugsweise etwa 1,35, im gesamten Hochtemperaturbereich von etwa 70°C bis etwa 140°C oder, falls die Mindestviskositätstemperatur unter 140°C liegt, dem Bereich von etwa 70°C bis zur Mindestviskositätstemperatur.
Vor jeder signifikanten Harzvernetzung oder -härtung weist die Harzzusammensetzung bevorzugt einen tan δ zwischen etwa 1,0 und etwa 2,0, weiter vorzugsweise zwischen etwa 1,2 und etwa 1,8 bei etwa 70°C; zwischen etwa 0,7 und etwa 2,0, weiter vorzugsweise zwischen etwa 1,0 und etwa 1,7 bei etwa 100°C und zwischen etwa 0,5 und etwa 2,0, weiter vorzugsweise zwischen etwa 0,6 und etwa 1,7 bei etwa 140°C oder bei Mindestviskositätstemperatur, wenn diese unter 140°C liegt, auf.
Die erfindungsgemäße bevorzugte Harzzusammensetzung kann normalerweise bei Erwärmung mit den industrietypischen Verarbeitungsgeschwindigkeiten (0,5–5°C/min) eine Mindestkomplexviskosität von 100 bis 50.000 Centipoise aufweisen. Ferner ist es vorzuziehen, dass die Harzzusammensetzung ein Epoxidharz enthält und eine durchschnittliche Epoxidfunktionalität größer als 2,0 besitzt.
Der Wert tan δ wird für die Zwecke dieser Erfindung mit Hilfe eines Rheometrics Scientific RDA-II oder eines vergleichbaren Instruments ermittelt, das im Schwingungsmodus unter Verwendung von parallelen Platten mit einem Durchmesser von 40 mm und einen Spalt zwischen 0,5 und etwa 1 mm betrieben wird. Die Beanspruchung wird auf 40% eingestellt und das Drehmoment liegt in dem Bereich von 5 bis 1200 g·cm (0,49–117,7 mN·m). Die Frequenz beträgt 10 rad/s (1,59 Hz). Der Fachmann wird erkennen, dass Schwingungsfrequenz und Beanspruchung die kritischen Parameter sind. Die übrigen Parameter können so eingestellt werden, dass bei Verwendung unterschiedlicher Geometrien (und/oder Verwendung verschiedener Instrumente, die nach dem gleichen Prinzip arbeiten) identische Messbedingungen geschaffen werden. Die Messungen finden in dem Temperaturbereich von 70–140°C bei einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 2°C/min statt.
Im Rahmen der Erfindung wurde entdeckt, dass, wenn das erfindungsgemäße Prepreg mit einer Epoxidharzzusammensetzung hergestellt wird, deren tan δ-Wert innerhalb der oben festgelegten Bereiche liegt, die Porosität in der aus dem Prepreg hergestellten fertigen Verbundstruktur im Vergleich zu derjenigen einer Sandwichstruktur, die aus einem mit einem herkömmlichen Epoxidharz hergestellten Prepreg gefertigt wird, zurückgeht. Der Begriff "Porosität", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den Prozentsatz der Fläche, die von den Poren oder Hohlräumen in einem Querschnitt einer fertigen faserverstärkten Verbundplatte, bezogen auf die Gesamtfläche des Querschnitts, beansprucht wird. Die Porosität beinhaltet im Allgemeinen sämtliche Poren oder Hohlräume, die in gehärteten Laminaten der fertigen faserverstärkten Verbundstruktur ausgeformt werden, sowohl in den "Inter-ply"-Zonen, d.h. den Zonen zwischen den Lagen, und den "Intra-ply"-Zonen, d.h. den Zonen innerhalb einer ausgehärteten Prepreg-Lage.
Wie dem Fachmann klar sein wird, können tan δ und Fließgeschwindigkeit bei der erfindungsgemäßen Harzzusammensetzung nach vielen verschiedenen Verfahren geregelt werden. Sie können zum Beispiel durch Veränderung der Typen und des relativen Inhalts der festen und/oder flüssigen Elastomere und das Ausmaß der Epoxid-Elastomer-Reaktion geregelt werden, d.h. Auswahl der Typen und Umfang der funktionellen Gruppen der festen oder flüssigen Elastomere, die zu einer Reaktion mit den Epoxidharzen in der Harzzusammensetzung fähig sind, und/oder Auswahl von Harz- und Härtungszusammensetzungen mit geeigneten Viskositäten.
Das härtbare Harzmaterial kann nach irgendeinem dem Fachmann an sich bekannten Verfahren auf das Gewebe aufgebracht werden. So kann das Harz beispielsweise entsprechend einem Lösungsmittelverfahren oder einem lösungsmittelfreien Verfahren aufgebracht werden, die dem Fachmann beide bekannt sind. Bei dem Lösungsmittelverfahren, das auch als Turm- oder Nassverfahren bekannt ist, wird das Prepreg durch Imprägnierung des Gewebes mit der in einem geeigneten Lösungsmittel gelösten Harzzusammensetzung hergestellt. Zum Beispiel kann eine Harzzusammensetzung in einem Harzbehälter in einem Lösungsmittel gelöst und auf das Gewebe aufgebracht werden, während dieses sich durch die im Behälter befindliche Lösung bewegt. Bei einem lösungsmittelfreien Verfahren (auch als Heißschmelzverfahren bekannt) wird das Harz auf einem geeigneten Substrat zu einem Harzfilm geformt und anschließend mit Hilfe von Wärme und Druck auf das Gewebe übertragen. Beispielsweise wird ein lösungsmittelfreies Polymerharzsystem hergestellt und ein Papiersubstrat wird mit einem Harzfilm aus dem Polymerharz beschichtet. Anschließend wird ein Prepreg hergestellt, indem Harzfilme von zwei Papiersubstraten auf die Ober- und Unterseite eines Gewebes übertragen werden, während zwei Harzfilme mit dem dazwischen liegenden Gewebe erwärmt und verdichtet werden.
Das Harz sollte so auf das Gewebe aufgebracht werden, dass das Gewebe im Wesentlichen damit imprägniert wird. Das daraus resultierende Prepreg sollte einen Harzgehalt von etwa 20 bis etwa 60 Gew.-%, vorzugsweise etwa 30 bis etwa 50 Gew.-%, weiter vorzugsweise etwa 35 bis etwa 45 Gew.-% und noch weiter vorzugsweise etwa 38 bis 42 Gew.-%, bezogen auf das Prepreg-Gesamtgewicht, aufweisen. Das so hergestellte Prepreg kann zwecks Lagerung oder Versand auf eine Rolle oder dergleichen aufgewickelt werden. Optional kann das Prepreg verschiedenen Nachimprägnierungsbehandlungen unterworfen werden. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann das Prepreg zum Beispiel poliert werden (ein Vorgang, der auch als "Aufkalandrieren" oder "Verdichten" bekannt ist), um die Oberfläche des Prepreg gleichmäßiger zu machen und die Prepreg-Offenheit zu verringern. Ein Prepreg kann normalerweise durch Zusammenpressen unter einem Druck von etwa 40 bis 80 psi bei einer Temperatur von etwa 120–160 °F poliert werden.
2 zeigt ein Prepreg, das durch Imprägnierung eines Gewebes gemäß 1 mit einer Harzzusammensetzung hergestellt wird. 2A ist ein Diagramm mit einer Querschnittsansicht des Prepreg gemäß 2 längs eines Schuss-Wergstrangs 24 (Linie 2A). Wie in 2A abgebildet, besitzt das Prepreg eine max. Dicke T_p. Der Kett-Wergstrang 22 besitzt eine max. Strangbreite W_kette und eine max. Strangdicke T_kette. Ebenso besitzt auch der Schuss-Wergstrang 24 eine max. Strangbreite T_schuss und eine max. Strangdicke von T_schuss (nicht abgebildet). Der Abstand o zwischen zwei benachbarten Kett-Wergsträngen 22 bezeichnet eine Dimension der Öffnung 26, die von zwei benachbarten Schuss-Wergsträngen 24 und zwei benachbarten Kett-Wergsträngen 22 gebildet wird.
Der Begriff "Werg-Seitenverhältnis", wie er hier in Bezug auf ein Prepreg verwendet wird, entspricht dem Verhältnis zwischen der max. Querschnittsbreite eines Wergstrangs, W, und der max. Querschnittsdicke des Wergstrangs, T, gemessen in einem Prepreg, d.h. W/T. Es dürfte sich verstehen, dass das Werg-Seitenverhältnis durch die verschiedenen Schritte, zum Beispiel bei der Strangherstellung, der Herstellung von Gewebe aus Strängen, der Prepreg-Herstellung aus dem Gewebe, der Nachimprägnierungsbehandlung des Prepreg sowie die Schritte bei der Herstellung von Sandwichverbundstrukturen aus dem Prepreg beeinflusst wird. Ein allgemein runder Strang (siehe 2B) in einem Prepreg wird normalerweise ein niedriges Werg-Seitenverhältnis aufweisen. Umgekehrt wird ein Strang, der während des Herstellungsprozesses abgeflacht wird, ein hohes Werg-Seitenverhältnis aufweisen. Der Begriff "durchschnittliches Prepreg-Werg-Seitenverhältnis", wie er hier verwendet wird, entspricht dem Durchschnitt des Werg-Seitenverhältnisses der Kett-Wergstränge und der Schuss-Wergstränge im Prepreg. Zur Erzielung des durchschnittlichen Werg-Seitenverhältnisses eines Prepreg sollten normalerweise Messungen an wenigstens 25 bis 50 verschiedenen Strängen in jeder Richtung vorgenommen werden. Ebenso bezieht sich der Begriff "durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis in einer Richtung" auf das durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis der Wergstränge in einer Richtung eines zweidimensionalen Webstoffs.
Erfindungsgemäß können verschiedene Verfahren angewandt werden, um die Strang-Querschnittsform und daher das Werg-Seitenverhältnis eines Faserwergstrangs eines Prepreg nach den Behandlungsschritten Weben, Imprägnieren und, optional, Nachimprägnieren zu manipulieren oder zu modifizieren. Beispiele für solche Verfahren sind, ohne einschränkenden Charakter, u.a. das Schlichten der Stränge vor dem Weben, das Verdrehen des Strangs, das Verdrehen und Aufdrehen der Stränge, die Veränderung der Querschnittsformen der einzelnen Filamente in den Strängen und/oder die Durchführung verschiedener anderer Modifikationen im Strangbildungsprozess.
Es wurde festgestellt, dass Unregelmäßigkeiten in den Querschnittsformen der einzelnen Fasern oder Filamente im Strang die Verwicklung der Filamente erhöhen und das Werg-Seitenverhältnis reduzieren können. Zum Variieren des Werg-Seitenverhältnisses können insbesondere Filamente mit speziellen Querschnittsformen ausgewählt werden. Es wurde beispielsweise festgestellt, dass einzelne Filamente mit nieren- oder erbsenförmigem Querschnitt nach dem Weben und Imprägnieren im Allgemeinen einen runderen Faserstrang mit einem kleineren Seitenverhältnis bilden werden, als es bei einem ansonsten identischen Strang der Fall wäre, dessen einzelne Filamente einen runden Querschnitt aufweisen.
Ein weiteres Verfahren zur Modifizierung von Strangaufbau und Werg-Seitenverhältnis besteht im Verdrehen und Aufdrehen des Strangs in dem gewünschten Umfang. Drehprozesse sind dem Fachmann wohl bekannt. Der Begriff "gedrehter Strang", wie er hier verwendet wird, bezeichnet einen Strang, der während der Strangbildung verdreht wird, der jedoch nicht, wie unten beschrieben, aufgedreht wird. Gedrehte Stränge haben nach dem Weben normalerweise eine rundere Form und somit ein kleineres Faserwerg-Seitenverhältnis. Der Verdrehungsgrad, d.h. die Zahl der Drehungen pro Längeneinheit, kann mit der Form oder dem gewünschten Werg-Seitenverhältnis variieren. So sind beispielsweise gedrehte Kohlefaserstränge mit etwa 15 Drehungen pro Minute im Allgemeinen erhältlich und können im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden. Ein "NT"-Strang, d.h. ein Strang, der nie verdreht wird, kann im Rahmen dieser Erfindung ebenfalls eingesetzt werden. "Ungedrehte" Stränge oder "UT"-Stränge können geformt werden, indem zunächst ein Filamentbündel in einem gewünschten Maß verdreht und anschließend aufgedreht wird, d.h. indem man das gedrehte Faserfilamentbündel oder den Strang im gewünschten Umfang in entgegengesetzter Richtung verdreht. NT-Stränge haben normalerweise eine relativ flachere Strangform und somit ein relativ größeres Werg-Seitenverhältnis als sowohl gedrehte Stränge wie auch UT-Stränge.
Das Verdrehen oder Aufdrehen kann entweder vor oder nach dem Karbonisieren der Vorläuferfilamente geschehen, wie dem Fachmann ohne weiteres klar sein wird. Es können unterschiedliche Verfahren Anwendung finden. Vorläuferfilamente können zum Beispiel nach dem Verdrehen karbonisiert und anschließend aufgedreht werden. Alternativ kann ein Vorläuferfilamentbündel karbonisiert werden, ohne je verdreht worden zu sein. Danach kann das Verdrehen an dem karbonisierten Strang nach Wunsch optimal vorgenommen werden.
Ein weiteres Verfahren, um eine gewünschte Querschnittsform für einen Wergstrang zu erreichen, besteht im Schlichten des Strangs. Wie dem Fachmann bekannt ist, bezeichnet der Begriff "Schlichten" einen Prozess, der das Beschichten oder Imprägnieren eines Strangs mit einem Schlichtemittel und das Trocknen des Schlichtemittels beinhaltet, wodurch die Querschnittsform des Strangs fixiert oder im Wesentlichen fixiert wird. Verwendet werden können alle üblichen Schlichtemittel. Vorzugsweise wird ein Schlichtemittel auf Epoxidbasis oder ein expoxidverträgliches Schlichtemittel verwendet. Wie dem Fachmann bekannt ist, kann ein Schlichtemittel auf Epoxidbasis optional z.B. ein schwaches Epoxidharz und Additive wie Polyethylenglykol, wasserlösliches Polyurethanharz, Polyvinylformalharz, ein nichtionisches Tensid und/oder ein kationisches Tensid enthalten. Nach Aufbringung des Schlichtemit tels können verschiedene Trockenverfahren Anwendung finden, zum Beispiel Trommeltrocknung, Lufttrocknung und Abblasen mit Luft. Es ist zu bemerken, dass die Trockenverfahren ebenfalls die Querschnittsform des Strangs und somit das Werg-Seitenverhältnis beeinflussen können. Das Schlichten findet normalerweise nach dem Karbonisierprozess statt.
Ferner kann der Strang mit einer vorbestimmten, im Wesentlichen stabilen Querschnittsform versehen werden, indem der Strang während der Vorbehandlung durch eine speziell dafür ausgelegte Formdüse gezogen wird. Die Form der Düse kann so beschaffen sein, dass sie der Form des gewünschten Strangquerschnitts entspricht. Bevor der Strang mit der Düse in Berührung kommt, kann der Strang einer Schlichtoperation unterworfen werden, sodass die Querschnittsform des Strangs durch die Formoperation im Wesentlichen festgelegt wird.
Zur Erzielung einer bestimmten Faserwergkonstruktion oder -form und eines bestimmten Faserwerg-Seitenverhältnisses können unterschiedliche Verfahren einzeln oder in verschiedenen Kombinationen angewandt werden. In geringem Umfang muss eventuell experimentiert werden, um zu ermitteln, welches Verfahren oder welche Kombination von Verfahren am wirksamsten ist, und dies liegt durchaus im Rahmen der Fähigkeiten eines Fachmanns, sobald er die vorliegende Offenbarung zur Kenntnis genommen hat. Die Schlichtoperation kann zum Beispiel an gedrehten, an NT- oder UT-Strängen ausgeführt werden. Bei der Herstellung eines UT-Strangs kann das Schlichten entweder vor dem Verdrehen, nach dem Verdrehen, aber vor dem Aufdrehen, oder aber nach dem Verdrehen bzw. in verschiedenen Kombinationen aus diesen Vorgängen stattfinden.
Der Begriff "Prepreg-Offenheit", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf den Prozentsatz der Fläche in dem Prepreg, die den Öffnungen im Prepreg entspricht, zum Beispiel den Öffnungen 26 in 2. Solche Öffnungen ergeben sich aus den Öffnungen des in dem Prepreg verwendeten Gewebes, wie durch die Öffnungen 16 in 1 dargestellt. Es muss jedoch beachtet werden, dass sich die Prepreg-Offenheit von der Offenheit des Gewebes, das bei der Prepreg-Herstellung verwendet wird, unterscheiden kann. Ist das im Prepreg verwendete Harz transparent, entspricht die Prepreg-Offenheit normalerweise dem Prozentsatz der Fläche, durch welche Licht übertragen werden kann. Der Grad der Prepreg-Offenheit lässt sich somit ohne weiteres durch eine Sichtkontrolle und durch Messungen, wie nachstehend näher beschrieben, ermitteln.
Nochmals Bezug nehmend auf 2A, stellt die max. Dicke T_p die max. Dicke in dem Bereich dar, in dem ein Kett-Wergstrang 22 einen Schuss-Wergstrang 24 schneidet und darüber flottiert. Für die Messung der Prepreg-Dicke wird im Allgemeinen ein Dickenmesser mit einem Presserfuß verwendet, der eine relativ große Fläche, z.B. einen Quadratzoll, abdeckt. Der Begriff "Prepreg-Dicke", wie er hier verwendet wird, bezeichnet den Durchschnitt aus wenigstens 25–50 Dickenmessungen an unterschiedlichen, repräsentativen Flächen eines Prepreg.
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung werden die Messungen zur Ermittlung von Prepreg-Dicke, -Offenheit und Prepreg-Werg-Seitenverhältnis durchgeführt, nachdem die Prepreg-Proben einer Konditionierungsbehandlung unterworfen wurden, bei der die Prepreg-Proben einem Verdichtungsdruck von etwa 45 psi bei einer Temperatur von 160 °F für etwa drei Minuten ausgesetzt werden. Der Verdichtungsdruck wird von einer pneumatisch betätigten Warmpresse ausgeübt, die zwei parallel angeordnete Heizplatten enthält, deren innen befindliche Heizelemente durch einen Temperaturregler gesteuert werden. Die Aufundabbewegung dieser beiden Heizplatten wird durch mittels Luftregler gesteuerten Luftdruck bewirkt. Diese Konditionierungsbehandlung findet statt, um für das getestete Prepreg einheitliche Merkmale herbeizuführen. Außerdem sollen die Bedingungen simuliert werden, denen ein Prepreg während des Härtungsprozesses zur Herstellung einer faserverstärkten Verbundstruktur ausgesetzt ist.
Im Rahmen der Erfindung wurde entdeckt, dass, wenn ein Prepreg in einer faserverstärkten Verbundstruktur verwendet wird, eine Reihe von Prepreg-Eigenschaften mit dem Grad des Zusammendrückens des Kerns der Verbundstruktur in Zusammenhang stehen. Insbesondere wurde entdeckt, dass drei Eigenschaften eines Prepreg, nämlich die Prepreg-Dicke, die Prepreg-Offenheit und das durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis eines Prepreg, entweder einzeln oder in Kombination, den Grad des Zusammendrückens des Kerns in hohem Maße bestimmen. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass solche Prepreg-Eigenschaften während des Härtungsprozesses zur Herstellung einer Sandwichverbundstruktur zu der Rauigkeit der Prepreg-Oberfläche und somit zu der Reibungskraft zwischen den Prepreg-Lagen in den Verstärkungslaminaten beitragen. Eine erhöhte Rauigkeit und somit erhöhte Reibungskraft bewirkt einen Rückgang im Grad des Zusammendrückens des Kerns. Der Begriff "Grad des Zusammendrückens des Kerns", wie er hier verwendet wird, entspricht dem Prozentsatz der Fläche in der Sandwichstruktur, die während des Härtungsprozesses zusammengedrückt wird, wie es weiter unten in Verbindung mit dem Verfahren zum Testen eines Prepreg einer gegen das Zusammendrücken des Kerns beständigen Platte näher besprochen wird.
Insbesondere wurde festgestellt, dass der Grad des Zusammendrückens des Kerns bei Geweben mit dem gleichen Flächengewicht, d.h. Basisgewicht, geringer ist, wenn die Prepreg-Dicke größer ist. Es wurde auch entdeckt, dass der Grad des Zusammendrückens des Kerns bei erhöhter Prepreg-Offenheit geringer ist. Ferner ist der beobachtete Grad des Zusammendrückens des Kerns umso geringer, je kleiner das durchschnittliche Faserwerg-Seitenverhältnis eines Prepreg ist.
Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wird somit ein Prepreg bereitgestellt, das bei Verwendung in einer faserverstärkten Verbundstruktur den Grad des Zusammendrückens des Kerns erheblich reduziert. Insbesondere wenn das erfindungsgemäße Prepreg bei der Herstellung einer faserverstärkten Verbundstruktur verwendet wird, ist der Grad des Zusammendrückens des Kerns vorzugsweise nicht größer als etwa 15%, weiter vorzugsweise nicht größer als etwa 10% und noch weiter vorzugsweise nicht größer als etwa 5%.
Gemäß der ersten Ausführungsform besitzt das erfindungsgemäße Prepreg eine Offenheit von wenigstens 1,0%, vorzugsweise wenigstens etwa 2,0%, weiter vorzugsweise wenigstens etwa 2,5% und noch weiter vorzugsweise wenigstens etwa 3,0% und noch weiter vorzugsweise wenigstens etwa 3,8%, bei Bestimmung mittels des nachstehend beschriebenen optischen Kontrollverfahrens. Die Prepreg-Offenheit wird jedoch normalerweise weniger als etwa 10,0%, bevorzugt weniger als 6,0% betragen.
Das Prepreg hat eine Dicke von wenigstens etwa 0,220 mm, vorzugsweise wenigstens etwa 0,245 mm, weiter vorzugsweise wenigstens etwa 0,250 mm, noch weiter vorzugsweise wenigstens etwa 0,260 mm und noch weiter vorzugsweise wenigstens etwa 0,265 mm sowie noch weiter vorzugsweise wenigstens etwa 0,270 mm.
Alternativ beträgt das durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis weniger als etwa 15,5, vorzugsweise weniger als etwa 14,0, weiter vorzugsweise weniger als etwa 13,0, noch weiter vorzugsweise weniger als etwa 12,5 und noch weiter vorzugsweise weniger als etwa 11,5.
Das erfindungsgemäße Prepreg entsprechend dieser ersten Ausführungsform kann nach den weiter oben detailliert beschriebenen Verfahren hergestellt werden. Normalerweise können verschiedene Gewebe mit einer Harzzusammensetzung, wie oben be schrieben, zur Herstellung eines Prepreg imprägniert werden. Die Eigenschaften des Prepreg, nämlich Prepreg-Offenheit, Prepreg-Dicke und durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis werden gemessen und mit den oben definierten Bereichen verglichen.
Gemäß der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prepreg wird in dem Prepreg ein Gewebe mit komplexer Bindungsart verwendet, um sowohl das Zusammendrücken des Kerns als auch die Porosität zu verringern. Das Gewebe ist vom gleichen Typ wie das oben allgemein beschriebene Gewebe 10, d.h. ein zweidimensionaler Webstoff, vorzugsweise ein biaxialer Webstoff, bei dem sich die Kett-Wergstränge mit den Schuss-Wergsträngen im Wesentlichen im rechten Winkel kreuzen. Für den Zweck dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung haben die Wergstränge in einer Richtung, zum Beispiel in Kett- oder Schussrichtung, eine andere Strangkonstruktion und ein anderes Werg-Seitenverhältnis als die beiden Stränge in der anderen Richtung, z.B. Schuss oder Kette. Der Begriff "andere Strangkonstruktion" soll besagen, dass die Wergstränge in den beiden Richtungen unterschiedlich beschaffen sind, d.h. sie bestehen entweder aus unterschiedlichen Faserfilamenten oder werden gemäß unterschiedlichen Fertigungsprozessen oder durch Manipulation der Webprozesse oder einer Kombination dieser Prozesse hergestellt. Die beiden in einer Richtung verlaufenden Wergstränge können zum Beispiel gedrehte Stränge sein, während die beiden in der anderen Richtung verlaufenden Stränge völlig ungedrehte (NT) Stränge sind. In einem weiteren Beispiel können die in einer Richtung verlaufenden Wergstränge eine Gesamtfilamentzahl von etwa 3.000 aufweisen, während die in der anderen Richtung verlaufenden Stränge eine Gesamtfilamentzahl z.B. von etwa 4.000 bis etwa 12.000 aufweisen können. Da die durchschnittlichen Werg-Seitenverhältnisse der beiden Wergstränge in den beiden unterschiedlichen Richtungen bei dieser Ausführungsart der Erfindung verschieden sind, weisen die Wergstränge in den bei den Richtungen normalerweise unterschiedliche Querschnittsformen oder Abmessungen auf. In der einen Richtung verlaufende Stränge können zum Beispiel runder sein und die in der anderen Richtung verlaufenden Stränge können flacher sein, wie sich aus der obigen detaillierten Beschreibung in Verbindung mit dem Werg-Seitenverhältnis ergibt.
Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass große Offenheit die Bildung zahlreicher Hohlräume in den gehärteten Prepreg-Lagen einer Sandwichverbundstruktur verursachen kann, da während des Härtungsprozesses Luftblasen in den Lagen eingeschlossen werden. Darüber hinaus wird angenommen, dass sich die Porosität bei höherer Prepreg-Dicke infolge der Rautiefenunterschiede zwischen benachbarten Prepreg-Lagen erhöhen kann. Es wird auch davon ausgegangen, dass, wenn das durchschnittliche Prepreg-Seitenverhältnis zu klein ist, die Prepreg-Offenheit groß genug ist, um das Problem der Porosität zu verschlimmern. Es wurde festgestellt, dass die Prepreg-Offenheit in gewissem Umfang mit der Porosität in Korrelation steht und die Prepreg-Offenheit auf den Grad der Porosität hinweisen kann. Ohne wiederum an eine Theorie gebunden zu sein, wird davon ausgegangen, dass, da in der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung Hybridstränge verwendet werden, die Reibungskraft zwischen den Prepreg-Lagen gegenüber den nach dem Stand der Technik bisher bekannten Prepregs erhöht ist, während die Prepreg-Offenheit niedrig gehalten werden kann. In einer faserverstärkten Verbundstruktur, die mit einem Prepreg gemäß dieser Ausführungsform hergestellt wird, sind daher sowohl der Grad des Zusammendrückens des Kerns als auch die Porosität niedrig.
3 zeigt das Gewebemuster eines Webstoffs 30, der ein Beispiel für die Gewebe ist, welche für die Verwendung in dem Prepreg gemäß der zweiten Ausführungsform dieser Erfindung geeignet sind. 4 zeigt ein Prepreg 40, hergestellt durch Imprägnierung des Gewebes 30 mit einer härtbaren Harz zusammensetzung. Das Gewebe 30 ist vom gleichen Typ wie das in 1 dargestellte Gewebe 10. Wie in den 3, 4 und den 4A und 4B, die Querschnittsansichten entlang der Linie 4A–4A bzw. 4B–4B in 4 sind, dargestellt, besitzen die Schuss-Wergstränge 34 und 44 eine andere Strangquerschnittsform als die Kett-Wergstränge 32 und 42.
Bezug nehmend auf 4A, weisen in dem Prepreg 40 die Schuss-Wergstränge 44 eine max. Strangbreite W_schuss und eine max. Strangdicke T_schuss auf. Deshalb besitzen die Schuss-Wergstränge 44 ein Faserwerg-Seitenverhältnis W_schuss/T_schuss. Ebenso weisen die Kett-Wergstränge 42, wie in 4B dargestellt, eine max. Strangbreite W_kette und eine max. Strangdicke T_kette auf und besitzen somit ein Faserwerg-Seitenverhältnis W_kette/T_kette.
Entsprechend dieser Ausgestaltung der Erfindung ist das durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis der Wergstränge in einer Richtung nicht größer als etwa 13,0, vorzugsweise nicht größer als etwa 12,5, weiter vorzugsweise nicht größer als etwa 12,0, noch weiter vorzugsweise nicht größer als etwa 11,0, während das durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis der Wergstränge in der anderen Richtung wenigstens etwa 13,5, vorzugsweise wenigstens etwa 14,0, weiter vorzugsweise wenigstens 14,5 und noch weiter vorzugsweise wenigstens etwa 15,5 beträgt.
Ferner besitzt das Prepreg gemäß der zweiten Ausführungsform vorzugsweise eine Offenheit von nicht mehr als etwa 5,0%, vorzugsweise nicht mehr als etwa 4,0%, weiter vorzugsweise nicht mehr als 3,5% und noch weiter vorzugsweise nicht mehr als etwa 3,0%.
Es ist auch vorzuziehen, dass das Prepreg gemäß dieser zweiten Ausführungsform eine Dicke von etwa 0,230 mm bis etwa 0,300 mm, vorzugsweise von etwa 0,240 mm bis etwa 0,290 mm, weiter vorzugsweise von etwa 0,250 mm bis etwa 0,280 mm, noch weiter vorzugsweise von etwa 0,260 mm bis etwa 0,270 mm aufweist.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung können die Faserwergstränge in jedem Faserwergstrang sowohl in Kett- als auch Schussrichtung die gleiche Filamentzahl aufweisen. Alternativ können die Filamentzahlen für die Wergstränge in zwei Richtungen unterschiedlich sein, zum Beispiel etwa 3.000 in einer Richtung, die das kleinere durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis aufweist, und über 3.000, jedoch nicht mehr als etwa 18.000, vorzugsweise nicht mehr als etwa 12.000 in den Wergsträngen, die das höhere durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis aufweisen. Wenn die Faserfilamentzahlen in den beiden Richtungen unterschiedlich sind, weisen vorzugsweise die Wergstränge mit dem höheren Werg-Seitenverhältnis die höhere Faserfilamentzahl auf.
Wie oben besprochen, gibt es verschiedene Verfahren, um Faserwergstränge so zu manipulieren, dass die gewünschten Strangkonstruktionen und Werg-Seitenverhältnisse erreicht werden, und alle diese Verfahren sind auf diese Ausgestaltung der Erfindung anwendbar.
Wenn diese zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Prepreg zur Herstellung einer faserverstärkten Verbundstruktur verwendet wird, können in unerwarteter Weise sowohl der Grad des Zusammendrückens des Kerns als auch die Porosität gering sein. Normalerweise liegt der Grad des Zusammendrückens des Kerns unter etwa 15%, vorzugsweise unter 10% und weiter vorzugsweise unter 5%. Inzwischen ist die Porosität in der Verbundstruktur gering und liegt im Wesentlichen innerhalb des für den Luftfahrtgebrauch zufrieden stellenden Bereichs.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Prepreg bereitgestellt, das in dem harzimprägnierten Gewebe Wergstränge mit einer vorbestimmten, im Wesentlichen stabilen, nicht runden Querschnittsform aufweist. Normalerweise haben solche Wergstränge ein durchschnittliches Faserwerg-Seitenverhältnis von etwa 8,0 bis etwa 18,0, vorzugsweise von etwa 10,0 bis etwa 16,0, weiter vorzugsweise sogar von etwa 12,0 bis etwa 14,5, noch weiter vorzugsweise von etwa 12,5 bis etwa 14,0, sogar noch weiter vorzugsweise von etwa 13,0 bis etwa 14,0 und noch weiter vorzugsweise von etwa 13,0 bis etwa 13,5. Ferner ist die Prepreg-Offenheit vorzugsweise nicht größer als etwa 5,0%, weiter vorzugsweise nicht größer als etwa 4,0%, noch weiter vorzugsweise nicht größer als etwa 3,0% und noch weiter vorzugsweise nicht größer als etwa 2,0%. Das Prepreg hat normalerweise eine Dicke von etwa 0,240 mm bis etwa 0,300 mm, vorzugsweise von etwa 0,250 mm bis etwa 0,275 mm, weiter vorzugsweise von etwa 0,255 mm bis etwa 0,270 mm und noch weiter vorzugsweise von etwa 0,260 mm bis etwa 0,265 mm. Es ist zu bemerken, dass die Prepreg-Eigenschaften innerhalb obiger Bereiche bei Wergsträngen von unterschiedlichen Filamentzahlen variieren können. Werden beispielsweise Stränge mit einer höheren Filamentzahl, z.B. 12.000, verwendet, ist zu erwarten, dass die bevorzugte Prepreg-Dicke größer wäre, z.B. wenigstens 0,280 mm, und dass die bevorzugte Offenheit zum Beispiel etwa 4,0% betragen würde. Es wurde entdeckt, dass das Prepreg gemäß dieser dritten Ausführungsform der Erfindung sowohl das Zusammendrücken des Kerns als auch die Porosität in faserverstärkten Verbundstrukturen erheblich zu reduzieren vermag.
Der Begriff "nicht runde Querschnittsform" bedeutet, dass die Querschnittsform des Wergstrangs insofern nicht rund ist, als der Querschnitt ein oder mehrere Spitzen enthält, die sich zu einem allgemein spitzenförmigen Ende verjüngen, im Gegensatz zu den abgerundeten Enden und der gebogenen Verjüngung einer ovalen oder ähnlichen durchgehend runden Form. Dank eines solchen nicht runden Querschnitts kann der Strang von ausreichend breiter Form sein und dennoch in Nähe der Strang- Mittellinie dick genug sein, um eine hohe Oberflächenreibung bei gleichzeitiger Reduzierung der Offenheit zu erreichen. Es sollten daher zwei Anforderungen erfüllt werden: Zunächst sollte in einem bestimmten Wergstrang mit fester Gesamtquerschnittsfläche der Wergstrang so beschaffen sein, dass ein gewünschtes durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis innerhalb der oben beschriebenen Bereiche erzielt wird. Zweitens sollte die Strang-Querschnittsform so gestaltet sein, dass die größte Querschnittsbreite des Wergstrangs im Wesentlichen erreicht wird, und gleichzeitig das gewünschte durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis eingehalten wird. Allgemein kann der Querschnitt des Strangs, solange diese beiden Anforderungen erfüllt werden, jede beliebige nicht runde Form aufweisen. Wie in 2C dargestellt, kann der Querschnitt des Wergstrangs 22' zum Beispiel Augenform oder Spießform aufweisen, d.h. die beiden seitlichen Strangspitzen längs der Breite des Strangs erstrecken sich im Wesentlichen in seitlicher Richtung und sind vorzugsweise Enden mit scharfer Spitze, während die Strangdicke in der Mitte dennoch auf einem bestimmten Sollwert gehalten wird, sodass das oben beschriebene Erfordernis in Bezug auf das Werg-Seitenverhältnis erfüllt wird. Um ein anderes Beispiel zu nennen, kann die Querschnittsform des Strangs rautenförmig sein. Es ist zu bemerken, dass die äußere Begrenzung oder der Umfang des Querschnitts des Wergstrangs nicht im Wesentlichen glatt sein muß.
Die Strang-Querschnittsform sollte im Wesentlichen stabil sein. Mit anderen Worten, sobald die Wergstränge ausgebildet sind, liegt die Querschnittsform der beiden Stränge im Wesentlichen fest und diese werden während der anschließenden Prozesse, z.B. Gewebeherstellung aus Strängen, Prepreg-Fertigung aus dem Gewebe, Nachimprägnierungsbehandlung des Prepreg sowie die Schritte bei der Herstellung von Verbundstrukturen aus dem Prepreg, im Wesentlichen in der gleichen Form gehalten.
Wie aus obiger Erörterung im Hinblick auf die Verfahren zur Modifizierung von Strangkonstruktionen und Werg-Seitenverhältnis ersichtlich ist, können viele verschiedene Verfahren entweder einzeln oder in unterschiedlichen Kombinationen angewandt werden, um einen Wergstrang mit vorbestimmter, im Wesentlichen stabiler, nicht runder Querschnittsform herzustellen. Ohne die oben beschriebenen Details zu wiederholen, beinhalten solche Verfahren, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, das Strangpressen von Wergsträngen durch eine speziell ausgebildete Düse mit der gleichen Form wie die gewünschte Querschnittsform des Strangs, das Schlichten der Stränge vor dem Verweben, das Verdrehen des Strangs, das Verdrehen und Aufdrehen des Strangs, das Variieren der Querschnittsformen der einzelnen Filamente in den Strängen und verschiedene weitere Modifikationen im Strangausbildungsprozess.
Abgesehen von den oben genannten speziellen Strangkonstruktionen und dem Prepreg-Offenheit-Erfordernis ist das Prepreg gemäß dieser Ausführungsform von im Wesentlichen gleicher Art wie das in 2 abgebildete Prepreg. 2C zeigt eine Querschnittsansicht eines Prepreg entsprechend dieser dritten Ausführungsform der Erfindung. Es ist zu bemerken, dass im Vergleich zu den Wergsträngen der in 2B abgebildeten Ausführungsform zwar die Strangdicke in 2C mit derjenigen aus 2B vergleichbar ist, die Strangbreite der Stränge in dieser dritten Ausführungsform jedoch wesentlich größer ist als die in 2B abgebildete. Infolgedessen ist die Prepreg-Offenheit geringer, während die Prepreg-Dicke nicht wesentlich vermindert ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Bewertung der Beständigkeitseigenschaften gegen das Zusammendrücken des Kerns eines Prepreg für die Anwendung im Rahmen einer faserverstärkten Verbundstruktur bereitgestellt. Wie oben beschrieben, wurde erfindungsgemäß entdeckt, dass die Prepreg-Dicke, das durchschnittliche Werg-Seitenverhältnis und die Prepreg-Offenheit eines bei dem Härtungsprozess zur Herstellung einer faserverstärkten Verbundstruktur sämtlich mit dem Grad des Zusammendrückens des Kerns während des Härtungsprozesses in Korrelation stehen. Dementsprechend beinhaltet das Verfahren zur Bewertung der Beständigkeit eines Prepreg gegen das Zusammendrücken des Kerns die Ermittlung der Prepreg-Dicke, des durchschnittlichen Werg-Seitenverhältnisses und/oder der Prepreg-Offenheit und den Vergleich der erzielten Ergebnisse mit einem Satz vorbestimmter Werte. Normalerweise werden Werte für Prepreg-Dicke, durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis und/oder Prepreg-Offenheit entsprechend unterschiedlichen Graden des Zusammendrückens des Kerns mit verschiedenen Typen von Geweben und/oder Harzen erzielt. Solche Werte können dann als "vorbestimmte Werte" verwendet werden. Durch Vergleich der Werte für Prepreg-Dicke, durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis und/oder Prepreg-Offenheit, die an einem bestimmten, bewerteten Prepreg gemessen werden, mit den vorbestimmten Werten lässt sich der Bereich voraussagen, in dem der Grad des Zusammendrückens des Kerns innerhalb eines Härtungsprozesses unter Verwendung des Prepreg wahrscheinlich liegen wird. Es ist zu bemerken, dass die vorbestimmten Werte variieren können, wenn bei der Herstellung des Prepreg im Wesentlichen unterschiedliche Gewebe und/oder Harze verwendet werden. Der Begriff "im Wesentlichen unterschiedliche Gewebe" bedeutet zum Beispiel, dass wesentlich unterschiedliche Flächengewichte verwendet werden oder dass die Herstellung aus verschiedenen Fasertypen erfolgt, die im Wesentlichen unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen usw. Ein Fachmann mit normalen Kenntnissen, der mit dieser Erfindung vertraut ist, sollte jedoch in der Lage sein, die "vorbestimmten Werte" für Prepregs zu ermitteln, die aus Geweben und/oder Harzen beliebiger Typen hergestellt werden.
Beispielsweise wurde ein Satz vorbestimmter Werte für Prepregs bestimmt, die aus Webstoffen mit einem Flächengewicht von etwa 150 bis etwa 400 Gramm pro Quadratmeter, vorzugsweise von etwa 150 bis etwa 250 Gramm pro Quadratmeter, weiter vorzugsweise von etwa 180 bis etwa 205, noch weiter vorzugsweise von etwa 185 bis 201 Gramm pro Quadratmeter hergestellt werden und im Wesentlichen aus mit einem härtbaren Harz imprägnierten Kohlefaserwergsträngen bestehen. Die Werte für Prepreg-Dicke und durchschnittliches Faserwerg-Seitenverhältnis und den entsprechenden Grad des Zusammendrückens des Kerns sind in den 5 und 6 dargestellt.
In den 5 und 6 wurden Gewebe in Leinwandbindung mit einem Flächengewicht im Bereich von etwa 185 bis etwa 201 Gramm pro Quadratmeter aus verschiedenen Typen von Kohlefasersträngen hergestellt. Die Gewebe wurden mit einer der beiden im nachstehenden Beispiel 1 beschriebenen Harzzusammensetzungen imprägniert. Zum Teil, weil verschiedene Faserstränge und unterschiedliche Harze verwendet wurden, wiesen die so hergestellten Prepregs eine unterschiedliche Prepreg-Dicke und unterschiedliche durchschnittliche Werg-Seitenverhältnisse auf. Wie in den 5 und 6 dargestellt, stehen sowohl Prepreg-Dicke als auch durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis mit dem Grad des Zusammendrückens des Kerns in Korrelation. In den 5 und 6 bezeichnet ST ein Prepreg aus einem Gewebe, das aus Kohlefasersträngen hergestellt wurde, die eine Filamentzahl von 3.000 aufweisen und mit 15 Drehungen pro Meter verdreht sind; NT bezeichnet ein Prepreg aus einem Gewebe, das aus Kohlefasersträngen hergestellt wurde, die eine Filamentzahl von 3.000 aufweisen und nie verdreht wurden; UT bezeichnet ein Prepreg aus einem Gewebe, das aus Kohlefasersträngen hergestellt wurde, die eine Filamentzahl von 3.000 aufweisen und vor dem Schlichten mit 15 Drehungen pro Meter verdreht und nach dem Schlichten mit 15 Drehungen pro Meter aufgedreht wurden; Hybrid-ST/NT bezeichnet ein Hybrid-Prepreg, wie oben beschrieben, das aus einem Gewebe mit ST-Fasersträngen in einer Richtung und NT-Fasersträngen in der anderen Richtung hergestellt wurde.
So kann beispielsweise bei einem in Bewertung befindlichen Prepreg, wenn das durchschnittliche Faser-Seitenverhältnis nicht mehr als etwa 13,5 beträgt und die Prepreg-Dicke über etwa 0,260 mm liegt, der Grad des Zusammendrückens des Kerns während eines Härtungsprozesses unter Verwendung des Prepreg als unterhalb etwa 10% liegend vorausgesagt werden. Ferner wurde auch ermittelt, dass der Grad des Zusammendrückens des Kerns, wenn die Prepreg-Offenheit größer als etwa 3% ist, normalerweise unter etwa 10% beträgt.
Obwohl bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Wert von nur einer der drei Eigenschaften, nämlich durchschnittliches Prepreg-Werg-Seitenverhältnis, Prepreg-Dicke, Prepreg-Offenheit, ausreichen kann, um den Grad des Zusammendrückens des Kerns vorauszusagen, ist es vorzuziehen, dass die Werte für wenigstens zwei der drei Eigenschaften mit den vorbestimmten Werten verglichen werden, wobei vorzugsweise einer der beiden dem durchschnittlichen Prepreg-Werg-Seitenverhältnis entspricht. Weiter vorzugsweise werden die Werte für alle drei Eigenschaften ermittelt bzw. mit den vorbestimmten Werten verglichen. Wenngleich dieses Verfahren gewisse Diskrepanzen beinhalten kann, kann die Genauigkeit der Vorhersage mittels dieses Verfahrens im Allgemeinen über etwa 80% liegen, besonders wenn alle drei Eigenschaften untersucht werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann somit bei der Auswahl von gegen das Zusammendrücken des Kerns beständigen Prepregs zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstrukturen, insbesondere solchen für die Luftfahrt, äußerst nützlich sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine faserverstärkte Verbundstruktur bereitgestellt, die unter Verwendung eines Prepreg gemäß dieser Er findung, wie weiter oben offenbart, hergestellt wird. Faserverstärkte Verbundstrukturen sind dem Fachmann wohl bekannt. Dem Fachmann sind verschiedene Verfahren zur Reduzierung des Zusammendrückens des Kerns, z.B. verschiedene Verfahren zur Befestigung, bekannt, wenn die vorliegende verstärkte Verbundstruktur gemäß dieser Erfindung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Prepregs hergestellt wird, und die Verfahren und Vorrichtungen zur Reduzierung des Zusammendrückens des Kerns nach dem bekannten Stand der Technik können vorteilhafterweise wegfallen und dennoch kann ein Grad des Zusammendrückens des Kerns von weniger als etwa 15%, vorzugsweise weniger als etwa 10% und weiter vorzugsweise weniger als etwa 5% erreicht werden. Wenn es wünschenswert ist, können diese dem bisherigen Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen, zum Beispiel Befestigungsvorrichtungen, zur Reduzierung des Zusammendrückens des Kerns natürlich bei der Herstellung der erfindungsgemäßen faserverstärkten Verbundstruktur ebenfalls Verwendung finden.
Die faserverstärkte Verbundstruktur kann mit Hilfe aller dem Fachmann bekannten und geeigneten Verfahren hergestellt werden. Normalerweise werden Lagen des erfindungsgemäßen Prepreg in Laminatform auf eine oder beide Seiten eines leichten Kerns oder Wabenkerns aufgelegt, der z.B. aus Aluminium, Nomex^®, Glasfaser usw. besteht. Das aufgelegte Verstärkungsmaterial wird dann in einem Vakuumbeutel autoklaviert, der unter Bedingungen, bei denen die Prepregs gehärtet werden und an dem Wabenkern haften bleiben, in einen Autoklav gelegt. Das US-Patent Nr. 5,685,940, auf das hier hingewiesen wird, offenbart zum Beispiel ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer faserverstärkten Verbundstruktur, das im Rahmen dieser Erfindung verwendet werden kann.
Die Erfindung wird ferner in den folgenden Beispielen demonstriert, die nur der Veranschaulichung dienen, nicht jedoch den Anwendungsbereich der Erfindung einschränken.
Gemäß der Erfindung werden Prepreg- und Verbundeigenschaften mit Hilfe der nachstehend beschriebenen Verfahren bewertet. Zu bemerken ist, dass bei diesen Verfahren die hier genannten Messungen von Prepreg-Dicke, Prepreg-Offenheit und Prepreg-Werg-Seitenverhältnis vorgenommen werden, nachdem die Prepreg-Proben einer Konditionierungsbehandlung unterworfen wurden, bei der die Prepreg-Probe drei Minuten lang einem Verdichtungsdruck von 45 psi mittels einer pneumatisch betätigten Warmpresse bei 160 °F ausgesetzt ist. Diese Konditionierungsbehandlung dient der Erzielung einheitlicher Merkmale des getesteten Prepreg. Darüber hinaus sollen die Bedingungen simuliert werden, denen ein Prepreg während des Härtungsprozesses ausgesetzt ist, um eine faserverstärkte Sandwichverbundstruktur zu erzielen.
Verfahren zum Messen der Prepreg-Offenheit
Ein Prepreg-Stück wird flach unter ein Mikroskop gelegt, wobei Licht von unten durch das Prepreg hindurchtritt. Auf dieses Prepreg wird keine Kraft und kein Druck ausgeübt. Ein Bild, welches das Prepreg und seine Offenheit in Schwarz bzw. sehr hellem Grau zeigt, wird von einer (am Mikroskop angebrachten) Videokamera aufgenommen, die das Bild detailliert der Bildauswertungseinheit eines PC zuführt. Das Bild wird dann in ein rechtwinkliges Feld von ganzen Zahlen umgewandelt, die der digitalisierten Graustufe jedes Bildelements (Pixel) entsprechen. Ein Bildanalyseprogramm wie Optimas 6.2 im PC oder dergleichen wird eingesetzt, um diese digitale Bildinformation zu verarbeiten, und stellt sie in Form eines Graustufenhistogramms dar. Dieses Histogramm fasst den Graustufeninhalt des Bilds zusammen. In diesem Fall sind in den Histogrammen zwei verschiedene Gruppen zu finden, die dem Prepreg und der Offenheit entsprechen. Diese beiden Gruppen lassen sich mit Hilfe eines einfachen Schwellenverfahrens leicht trennen. Die Prepreg-Offenheit wird somit als prozentuales Verhältnis zwischen der mit Offenheit verbundenen Gruppe entsprechenden Pixelzahl und der Gesamtpixelzahl des Bilds erzielt.
Um genauere und repräsentativere Ergebnisse zu erzielen, wird die Offenheit mit sehr geringer Vergrößerung (5 × oder weniger) gemessen. Jedes Bild enthält wenigstens zehn Faserwergstränge in jeder Richtung. Gemessen werden mehrere Prepreg-Stücke, die stichprobenartig aus verschiedenen Stellen einer Prepreg-Rolle entnommen werden, und ein Durchschnittswert wird als Prepreg-Offenheit verwendet.
Verfahren zum Messen der Prepreg-Dicke
Die Prepreg-Dicke wird normalerweise mit einem Dickenmesser mit Presserfuß gemessen, der eine relativ große Fläche an der Prepreg-Oberfläche abdeckt. Beispielsweise wird eine ähnliche Testanordnung verwendet wie diejenige gemäß ASTM D1777-96 (Standardtestverfahren für die Dicke von Textilmaterial). Das Gerät enthält einen Dickenmesser mit einem 1-Quadratzoll-Presserfuß und einer Gewichtsbelastung von 5 Pound Eigengewicht. Dies entspricht einem Druck von ca. 5 psi, der bei Durchführung der Messung auf die Probe einwirkt. Mehrere Prepreg-Stücke werden stichprobenartig an verschiedenen Stellen einer Prepreg-Rolle entnommen und für jedes Stück werden mehrere Messungen durchgeführt. Der Durchschnittswert sämtlicher Messungen aus einer Prepreg-Rolle kann als Prepreg-Dicke verwendet werden.
Verfahren zum Messen der Faserstrangbreite und -dicke in einem Prepreg
Die Breite eines Faserwergstrangs kann nach dem Lichtdurchlässigkeitsverfahren ermittelt werden, wie es oben zur Bestimmung der Prepreg-Offenheit beschrieben wurde, abgesehen davon, dass in diesem Fall eine starke Vergrößerung verwendet wird, um die Auflösung der Messung zu erhöhen, und der Faser strang wird so vergrößert, dass seine Breite den größten Teil des Bilds abdeckt. Das gleiche Bildprogramm (Optimas 6.2) wird vor der Messung durch ein erfasstes Bild eines sehr feinen Lineals geeicht, das sich in der gleichen Höhe wie das Messobjekt befindet. Durch Verwendung der Optimas-Software, um eine Linie in einer bekannten Dimension des Lineals zu zeichnen, können die Programme die Länge dieser Linie "speichern" und diese Information als Grundlage für alle sonstigen Längenmessungen unter den gleichen Bedingungen nutzen. Die Faserstrangbreite wird dann gemessen, indem einfach eine Linie gezogen wird, die die gesamte Faserstrangbreite abdeckt, und die Programme können die Länge dieser Linie aufgrund der gespeicherten Eichdaten automatisch berechnen.
Mehrere Prepreg-Stücke werden nochmals stichprobenartig an verschiedenen Stellen der Prepreg-Rolle entnommen und jedes Stück wird mehreren Messungen unterworfen. Die endgültige Zahl basiert auf dem Durchschnitt sämtlicher Messungen.
Auf ähnliche Weise wird zur Messung der Faserstrangdicke ein Prepreg-Stück mit einer chirurgischen Schere längs der Mittellinie der Faserstränge ausgeschnitten. Dann wird die Dicke nach einem ähnlichen Verfahren wie bei der Messung der Breite eines Faserwergstrangs bestimmt. Auch hier wird keine Kraft und kein Druck angewandt. In diesem Fall ist eine sehr starke Vergrößerung erforderlich, um die Auflösung der Messung zu erhöhen. Lichtquellen können so angeordnet werden, dass die 90-Grad-Schicht im Kontrast zu der dunklen 0-Grad-Schicht für jede Messung weiß wird. Dann werden wieder Messungen sowohl in Kett- als auch Schussrichtung vorgenommen.
Testen von Prepregs in gegen das Zusammendrücken des Kerns beständigen Tafeln
Es wird eine gegen das Zusammendrücken des Kerns beständige Standardtafel 70 gemäß 7 verwendet, bestehend aus 28" × 24"-Verbundhäuten, und einem 24" × 20"-Nomex-Kern (Zellgröße 1/8", Dicke 0,5", 3,0 pcf, z.B. Hexel Corporation HRH-10 oder gleichwertig) mit einem Abschrägungswinkel von 20°. 7A ist eine Querschnittsansicht der gegen das Zusammendrücken des Kerns beständigen Tafel 70 und zeigt das aufgelegte Verstärkungsmaterial der Tafel vor dem Aushärten. Die Typen, Richtungen und Abmessungen der Prepreg-Lagen sowie diejenigen des Wabenkerns sind in Tabelle I wiedergegeben. Zusätzlich befinden sich zwischen dem Kern und den Prepreg-Lagen 75 und 77 sowie unterhalb der (nicht abgebildeten) Lage 72 normalerweise Kleberschichten.
TABELLE I
Zum Härten der Tafel 70 wird die Tafel in einen Vakuumbeutel gelegt. Der Vakuumbeutel und die darin befindliche Tafel werden in einen Autoklav gelegt. Der Beutel wird evakuiert und unter Druck bei hoher Temperatur gehärtet. Der Härtungszyklus umfasst folgende Schritte: (1) Anlegen eines Vakuums von min. 3,9 psia (27 kPa) an den Vakuumbeutel; (2) Druckerhöhung im Autoklav auf 413 kPa (45 psia) (einschließlich Entlüftung des Vakuumbeutels ins Freie, wenn der Autoklavdruck 20 psia erreicht); (3) Erhöhung der Temperatur im Innern des Autoklavs um 1–5 °F/min; (4) Härten der Tafel bei 355 °F für 2 Stunden (unter dem in Schritt 2 festgelegten Druck); (5) Abkühlen um 5 °F/min und (6) nach dem Härten, wenn die Teiletemperatur auf 140 °F gesunken ist, Druckentlastung, Entnehmen des Vakuumbeutels und Herausnehmen aus dem Beutel.
Die Abmessungen der gehärteten, gegen das Zusammendrücken des Kerns beständigen Tafel werden so gemessen, wie es in 8 dargestellt ist. X bezeichnet die Verschiebung der Mitte der Kernseite aus der ursprünglichen Position. L repräsentiert die ursprüngliche Länge der Kernseite. Die zusammengedrückte Fläche A wird berechnet nach der Formel:
Der prozentuale Grad des Zusammendrückens des Kerns wird nach folgender Formel ermittelt: Prozentuales Zusammendrücken des Kerns = 100 × A/480.
Zur Untersuchung der interlaminaren Porosität wird eine gegen das Zusammendrücken des Kerns beständige Standardtafel längs der in 7 mit 7A–7A markierten Linie ausgeschnitten. Der Querschnitt wird einer Sichtkontrolle unterzogen. Ein lfd. Zoll der freiliegenden Kante in einem Lagenbereich, der die höchste Porosität aufzuweisen scheint, wird mit einem Diamant-Poliermittel poliert (z.B. Diamantpoliermittel von 0,3 Mikron) und mit 50facher Vergrößerung auf Innenporosität untersucht. Gemessen werden fünf Proben und ein Durchschnittswert wird als Porositätswert verwendet.
In dem nachstehenden Beispiel wurden Prepregs gemäß dieser Erfindung hergestellt. Die Prepreg-Proben wurden einer Konditionierungsbehandlung unterworfen: Die Prepreg-Proben wurden bei 160 °F für drei Minuten einem Verdichtungsdruck von 45 psi ausgesetzt, um die Verdichtung der Tafel im Autoklav während des Härtungsprozesses teilweise zu simulieren. Die Offenheit, Dicke und das Faserwerg-Seitenverhältnis des Prepreg wurden dann anhand der Prepreg-Proben gemessen. Die Prepreg wurden in einer gegen das Zusammendrücken des Kerns beständigen Tafel auf ihre Beständigkeit gegen Zusammendrücken und ihre Porosität getestet.
BEISPIEL
Gewebe wurden aus Fasersträngen der Typen ST (gedrehter Standardstrang), UT (ungedreht), NT (nie gedreht) bzw. Fasersträngen sowohl des Typs ST als auch des Typs NT (Hybrid-ST/NT, d.h. ST in Kettrichtung und NT in Schussrichtung) hergestellt. Der hier verwendete Begriff ST-Stränge bezeichnet Kohlefaserstränge, die während des Fertigungsprozesses mit 15 Drehungen pro Meter gedreht wurden; NT-Stränge sind Kohlefaserstränge, die während des Strangfertigungsprozesses nie gedreht wurden; UT-Stränge sind Kohlefaserstränge, die vor dem Schlichten mit 15 Drehungen pro Meter verdreht und nach dem Schlichten mit 15 Drehungen pro Meter aufgedreht wurden. Jeder Strang wies eine Gesamtkohlefaserfilamentzahl von etwa 3.000 auf. Alle verwendeten Gewebe besaßen Leinwandbindung mit einer Anzahl von 12–13 Strängen/Zoll sowohl in Kett- als auch Schussrichtung und wiesen ein Gewebe-Flächengewicht von etwa 193 Gramm pro Quadratmeter auf.
Die Gewebe wurden nach einem Lösungsverfahren mit einer der folgenden zwei Epoxidharzzusammensetzungen imprägniert: Harz Nr. 1 enthält etwa 67% multifunktionale Epoxidharze, etwa 8,3% feste und flüssige, reaktionsfähige Elastomere, etwa 20,7 eines multifunktionalen Aminhärtungsmittels, etwa 1,8% eines Co-Härtungsmittels, 0,1% eines Katalysators und 2,1% eines Verlaufmittels, d.h. rauchbehandelte Silika. Die Harzzusammensetzung Nr. 1 hat einen tan δ von 0,78 bei 70°C und 0,27 bei 140°C.
Harz Nr. 2 enthält etwa 67,6% multifunktionale Epoxidharze, etwa 7,4% feste und flüssige, reaktionsfähige Elastomere; 20,7 eines multifunktionalen Aminhärtungsmittels; etwa 1,8% eines Co-Härtungsmittels; 0,1% eines Katalysators und 2,1% eines Verlaufmittels, d.h. rauchbehandelte Silika. Die Harzzusammensetzung Nr. 2 hat einen tan δ von etwa 1,37 bei 70°C und 1,35 bei 140°C.
Die so hergestellten Prepregs wurden im Hinblick auf ihre Dicke, Offenheit und ihr Faserwerg-Seitenverhältnis gemessen. Aus den Prepregs wurden gegen das Zusammendrücken des Kerns beständige Tafeln hergestellt und deren Beständigkeit gegen das Zusammendrücken und Porosität wurden ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle II dargestellt. Die Porosität ist qualitativ entsprechend einer Skala von 1 bis 5 angegeben, wobei 1 eine niedrige Porosität bezeichnet, während 5 einem hohen Porositätsgrad entspricht.
TABELLE II
Wie in Tabelle II dargestellt, ist der Grad des Zusammendrückens des Kerns, wenn Dicke, durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis und Offenheit des Prepreg die erfindungsgemäßen Anforderungen erfüllen, gering, d.h. er liegt unter etwa 15%. So erfüllen beispielsweise Prepregs aus Geweben, die aus ST- oder UT-Fasersträngen hergestellt werden, die Anforderungen im Hinblick auf Dicke, durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis und Offenheit der Prepregs, während solche aus Geweben, die aus NT-Fasersträngen hergestellt werden, die Anforderungen nicht erfüllen. Wie in Tabelle II gezeigt, ist infolgedessen der Grad des Zusammendrückens des Kerns in einer faserverstärkten Sandwichverbundstruktur, die unter Verwendung der früheren Prepregs hergestellt wurde, beträchtlich geringer als in einer unter Verwendung der letztgenannten Prepregs hergestellten, faserverstärkten Sandwichverbundstruktur. Wenngleich Prepregs aus Geweben in Leinwandbindung, die aus ST-, UT- und NT-Fasersträngen mit einer Filamentzahl von 3.000 hergestellt und mit einem herkömmlichen Epoxidharz wie dem Harz Nr. 1 imprägniert wurden, bekannt waren, wurde die Tatsache nie anerkannt, dass Offenheit, Dicke und durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis der Prepregs in hohem Maße für den Grad des Zusammendrückens des Kerns ausschlaggebend sind. Vor der vorliegenden Erfindung erwarteten die Fachleute dementsprechend im Allgemeinen von verschiedenen Strängen eine vergleichbare Leistung.
Während außerdem bestimmte Prepregs, z.B. solche, die aus Geweben aus ST-Strängen hergestellt wurden, den Grad des Zusammendrückens des Kerns verringern können, gehen sie gewöhnlich mit einer nicht akzeptablen Porosität einher (siehe ST mit Harz Nr. 1 in Tabelle II). Wenn ein Epoxidharz wie das Harz Nr. 2 verwendet wird, das einen bevorzugten tan δ-Wert und eine durchschnittliche Funktionalität von mehr als 2 aufweist, kann in unerwarteter Weise die Porosität in den faserverstärkten Sandwichverbundstrukturen, die aus den aus ST-Geweben bestehenden Prepregs hergestellt werden, signifikant auf einen akzeptablen Wert reduziert werden, wie dies aus Tabelle II hervorgeht. Es wird davon ausgegangen, dass die Porosität, wenn das gleiche Harz auf ein aus UT-Strängen hergestelltes Gewebe aufgebracht wird, ebenfalls reduziert wird. Die Verwendung eines Harzes wie des Harzes Nr. 2 reduziert jedoch den Grad des Zusammendrückens des Kerns nicht. Während zum Beispiel das in Tabelle II dargestellte Prepreg aus einem Gewebe, das aus mit Harz Nr. 1 imprägnierten NT-Strängen besteht, hergestellt wird, ein inakzeptables Zusammendrücken des Kerns verursacht, geht das gleiche, mit Harz Nr. 2 imprägnierte Gewebe mit keinem geringeren Zusammendrücken des Kerns einher.
Wenn ferner ein aus einem Hybrid-Gewebe mit ST-Strängen in einer Richtung und NT-Strängen in der anderen Richtung hergestelltes Prepreg verwendet wird, sind sowohl der Grad des Zusammendrückens des Kerns als auch die Porosität zufrieden stellend, selbst wenn ein herkömmliches Harz wie das Harz Nr. 1 verwendet wird.
Wie das Beispiel zeigt, stellt die Erfindung also Prepregs bereit, die bei Verwendung zur Herstellung von faserverstärkten Verbundstrukturen sowohl das Zusammendrücken des Kerns als auch die Porosität wirksam reduzieren können. Da außerdem verschiedene Faserstränge so manipuliert werden können, dass sie wünschenswerte Prepreg-Eigenschaften verleihen und somit das Zusammendrücken des Kerns reduzieren, gewährt diese Erfindung Prepreg-Herstellern größere Freiheit bei der Auswahl von Fasersträngen oder Geweben und vermindert somit ihre Abhängigkeit von bestimmten Herstellern von Spezialfasersträngen.
Dem Fachmann auf dem Gebiet, auf das sich die vorliegende Erfindung bezieht, der die Lehren aus den obigen Beschreibungen und zugehörigen Zeichnungen gezogen hat, werden zahlreiche Modifikationen und andere Ausführungsformen der Erfindung in den Sinn kommen. Daher ist klar, dass die Erfindung nicht auf die besonderen, offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt ist und dass auch Modifikationen und weitere Ausführungsformen in den Rahmen der beigehefteten Ansprüche fallen. Soweit hier bestimmte Begriffe benutzt werden, werden sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht im Sinn einer Einschränkung verwendet.

Claims

Gegen das Zusammendrücken des Kerns beständiges Prepreg zur Verwendung bei der Herstellung einer faserverstärkten Verbundstruktur, mit: einem Webstoff, der im Wesentlichen aus Kohlefaserwergsträngen besteht, die mit einer härtbaren Polymerharzzusammensetzung imprägniert sind; wobei der Stoff ein Flächengewicht von etwa 150 bis etwa 400 Gramm pro Quadratmeter hat; wobei die Harzzusammensetzung eine durchschnittliche Epoxidharzfunktionalität größer als 2,0 hat und einen tan δ zwischen etwa 1,0 und etwa 2,0 bei 70°C, zwischen etwa 0,7 und etwa 2,0 bei 100°C und zwischen etwa 0,5 und etwa 2,0 bei 140°C bzw. der höchsten Temperatur der minimalen Harzviskosität; und wobei das Prepreg ein durchschnittliches Faserwerg-Seitenverhältnis von weniger als etwa 15,5, eine durchschnittliche Prepreg-Dicke von mindestens etwa 0,220 mm und eine Offenheit von mindestens etwa 1,0%, aber weniger als etwa 10,0 hat, wobei das Werg-Seitenverhältnis das in einem Prepreg gemessene Verhältnis zwischen der maximalen Querschnittsbreite eines Wergstranges, W, und der maximalen Querschnittsdicke des Wergstranges, T, ist, d.h. W/T, und wobei Dicke, Offenheit und Werg-Seitenverhältnis des Prepreg ermittelt werden, nachdem das Prepreg einer Konditionierungsbehandlung unterzogen wurde, bei der das Prepreg für etwa 3 Mi nuten einem Verdichtungsdruck von etwa 3,1 bar (45 psi) bei einer Temperatur von 71°C (160°F) unterzogen wird.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei das Prepreg ein durchschnittliches Faserwerg-Seitenverhältnis von weniger als etwa 12,5 hat.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei das Prepreg eine Prepreg-Dicke von mindestens etwa 0,270 mm hat.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei die Faserwergstränge ungedrehte Wergstränge sind.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei der Webstoff ein Leinwandbindungsmuster hat.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei der Stoff ein Flächengewicht von etwa 180 bis etwa 205 Gramm pro Quadratmeter hat.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei jeder der Wergstränge eine Gesamtfilamentzahl von etwa 3000 hat.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei das Prepreg ein durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis von weniger als etwa 13,0 hat.
Prepreg nach einem der Ansprüche 5–8, wobei das Prepreg eine Prepreg-Offenheit von etwa 1,5% bis etwa 10,0 hat.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei das Prepreg eine Prepreg-Dicke von etwa 0,260 mm hat.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei die Wergstränge eine Gesamtfilamentzahl von größer als etwa 3.000, aber nicht größer als etwa 18.000 haben.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei das Prepreg eine durchschnittliche Dicke von mindestens etwa 0,260 mm hat.
Prepreg nach Anspruch 1, wobei die Harzzusammensetzung im Wesentlichen aus etwa 40 Gew.-% bis etwa 95 Gew.-% Polymerharz, etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-% Härtungsmittel und etwa 0 Gew.-% bis etwa 20 Gew.-% eines Verlaufmittels besteht.
Verfahren zum Bewerten der Eigenschaften der Beständigkeit eines Prepreg gegen das Zusammendrücken des Kerns, wobei das Prepreg zur Verwendung bei einer faserverstärkten Verbundstruktur vorgesehen ist, mit den folgenden Schritten: Ermitteln eines durchschnittlichen Werg-Seitenverhältnisses des Prepreg; Ermitteln einer Prepreg-Dicke; und Ermitteln einer Prepreg-Offenheit; und Vergleichen des durchschnittlichen Faserwerg-Seitenverhältnisses, der Prepreg-Dicke und der Prepreg-Offenheit mit einem Satz vorbestimmter Werte, wobei das Werg-Seitenverhältnis das in einem Prepreg gemessene Verhältnis zwischen der maximalen Querschnittsbreite des Wergstranges, W, und der maximalen Querschnittsdicke des Wergstranges, T, ist, d.h. W/T, und wobei Dicke, Offenheit und Werg-Seitenverhältnis des Prepreg ermittelt werden, nachdem das Prepreg einer Konditionierungsbehandlung unterzogen wurde, bei der das Prepreg für etwa 3 Minuten einem Verdichtungsdruck von etwa 3,1 bar (45 psi) bei einer Temperatur von 71°C (160°F) unterzogen wird, und die vorbestimmten Werte Werte für Prepreg-Dicke, durchschnittliches Werg-Seitenverhältnis und Prepreg-Offenheit sind, die unterschiedlichen Graden des Zusammendrückens des Kerns entsprechen, die man bei unterschiedlichen Arten von Stoffen und/oder Harzen erhält.