DE60102826T2

DE60102826T2 - Schnelle verdichtung von porösen formteilen mit hochviskösen harzen oder pechen durch harzinjektionsverfahren

Info

Publication number: DE60102826T2
Application number: DE60102826T
Authority: DE
Inventors: D. Michael WOOD; Neil Murdie; A. Richard HECKELSBERG; F. James PIGFORD; L. Mark LAFOREST; Frank Dillon; A. Charles PARKER; W. Roger HOLLOWAY
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-09-01
Filing date: 2001-08-30
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2021-08-31
Also published as: KR20030061795A; US20030111752A1; JP4837231B2; WO2002018120A3; EP1313605A2; EP1313605B1; US7172408B2; KR100804250B1; RU2270096C2; DE60102826D1; ATE264184T1; WO2002018120A2; CZ2003614A3; TW526131B; AU2001290589A1; JP2004507383A; CZ303020B6; US6537470B1; ES2218451T3; CN1473103A

Description

TECHNISCHES GEBIET UND INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT DER ERFINDUNG
Die Erfindung zielt auf ein verbessertes Verfahren zum schnellen Verdichten von Hochtemperaturmaterialien einschließlich Kohlenstoff-Kohlenstoff("C-C")-Verbundstoffen und porösen Vorformlingen mit einem hochviskösen Harz oder Pech unter Verwendung von Harzspritzpreßtechniken ab.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Die vorliegende Erfindung beschreibt ein verbessertes Verfahren für die schnelle Verdichtung von Hochtemperaturmaterialien einschließlich C-C-Verbundstoffen, kohle- und keramikfaserverstärkten Vorformlingen wie auch Kohle- und Keramikschäumen.
Typischerweise werden diese Hochtemperaturmaterialien unter Verwendung von CVD/CVI (chemische Abscheidung aus der Gasphase/chemische Infiltration aus der Gasphase) von Kohlenstoff und/oder Keramik oder flüssiger Infiltration mit einem Harz und/oder Pech wie auch ihrer Kombinationen verdichtet. Das CVD/CVI-Verfahren ist höchst kapitalintensiv und leidet an langen Zykluszeiten mit mehrfachen Verdichtungszyklen, die zur Vervollständigung typischerweise mehrere Wochen brauchen.
Die Imprägnierung von porösen Formteilen mit Harzen und Pechen umfaßt typischerweise die Vakuum/Druckinfiltration (VPI). Beim VPI-Verfahren wird eine Menge Harz oder Pech in einem Behälter geschmolzen, während die porösen Vorformlinge unter Vakuum in einem zweiten Behälter enthalten sind. Das geschmolzene Harz oder Pech wird unter Verwendung einer Kombination aus Vakuum und Druck vom ersten Behälter in die im zweiten Behälter enthaltenen porösen Vorformlinge übertragen. Das VPI-Verfahren ist auf die Verwendung von Harzen und Pechen, die eine niedrige Viskosität und damit verbundene niedrige Kohlenstofferträge besitzen, beschränkt. Daher benötigt die Verdichtung von porösen Vorformlingen mit flüssigen Harz- und Pechvorläufern unter Verwendung des VPI-Verfahrens typischerweise mehrere Zyklen einer Imprägnierung gefolgt von einer Karbonisierung (häufig bis zu sieben Zyklen) und benötigt sie lange Zykluszeiten bis zu mehreren Wochen, um die gewünschte Enddichte zu erreichen.
Um die langen Zykluszeiten, die mit der Verwendung von Harzen und Pechen mit niedrigem Verkohlungsertrag in typischen VPI-Verfahren verbunden sind, zu vermeiden, wird eine Hochdruckimprägnierung/Karbonisierung (PIC) verwendet, um den Kohlenstoffertrag von Pechen zu erhöhen. Typische Hochdruckkarbonisierungszyklen übersteigen 34,5 N/m² (5000 psi) und häufig 103,4 N/m² (15000 psi). Der sich ergebende hohe Verkohlungsertrag, der mit der Hochdruckkarbonisierung erreicht wird, gestattet, daß die Anzahl der Verdichtungszyklen von sechs bis sieben Zyklen auf drei bis vier Zyklen verringert wird, um gleichwertige Dichten zu erreichen. Die Hochdruckbehälter sind jedoch kapitalintensiv und von beschränkter Größe, wodurch die Anzahl der Vorformlinge, die in einem Behälter verdichtet werden, beschränkt wird. Der verwendete Hochdruck erhöht auch die Explosionsgefahr, und besondere Sicherheitsvorkehrungen werden benötigt, um die Sicherheitsstandards zu erfüllen.
Eine alternative Methode zur Verbesserung der Effizienz von Kohlenstoffverdichtungsverfahren umfaßt die Verwendung von flüssigen Harzen mit hohem Kohlenstoffertrag (> 80 %). Typische Harze mit hohem Verkohlungsertrag beinhalten synthetische Mesophasenpeche (z.B. AR-Mesophasenpech von Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc., katalytisch polymerisiertes Naphthalen) wie auch thermisch oder chemisch behandelten Kohlenteer und aus Erdöl erzeugte Peche und andere thermoplastische Harze. Mit der Verwendung dieser Harze mit hohem Verkohlungs ertrag in den gegenwärtigen VPI-Verfahren sind jedoch viele Probleme verbunden, die im Zusammenhang mit ihrer höheren Viskosität und den damit verbundenen höheren Verfahrenstemperaturen stehen.
Die vorliegende Erfindung stellt Lösungen der obigen Probleme bereit und stellt eine Methode zur Bereitstellung von Verbundstoffen mit höherer Dichte bei verringerter Zykluszeit bereit. Die vorliegende Erfindung macht von Harzspritzpreß(RTM)-Technologien in Verbindung mit Harzen mit hohem Verkohlungsertrag Gebrauch, um poröse Vorformlinge innerhalb von nur Minuten zu verdichten.
RTM-Verfahren sind nicht neu. In den letzten Jahren haben das Harzspritzpressen oder RTM und seine abgeleiteten Verfahren (die auch als Harzspritzguß bezeichnet werden) in der Luft- und Raumfahrt-, der Automobil- und der Militärindustrie als ein Mittel zur Verdichtung von porösen Vorformlingen Beliebtheit erlangt. Tatsächlich wurde RTM ursprünglich Mitte der 1940er-Jahre vorgestellt, stieß jedoch bis zu den 1960er- und 1970er-Jahren, als es zur Herstellung von Gebrauchsartikeln wie Badewannen, Computertastaturen und Düngemitteltrichtern verwendet wurde, auf wenig kommerziellen Erfolg.
RTM wird typischerweise zur Herstellung von Verbundstoffen auf Polymerbasis verwendet. Ein faseriger Vorformling oder eine Matte wird in einer Form angeordnet, die der gewünschten Teilgeometrie entspricht. Typischerweise wird ein hitzehärtbares Harz mit verhältnismäßig niedriger Viskosität bei einer niedrigen Temperatur (100 bis 300 °F, 38 bis 149 °C) unter Verwendung von Druck in den im Inneren einer Form enthaltenen porösen Formteil injiziert oder unter Vakuum induziert. Das Harz wird im Inneren der Form gehärtet, bevor es aus der Form entfernt wird.
RTM hat sich als außergewöhnlich fähig erweisen, den Bedarf der Automobilindustrie an billigen und zahlreichen (etwa 500 bis 50.000) Teilen pro Jahr wie auch den Bedarf der Luft- und Raumfahrtindustrie an leistungsfähigeren und weniger zahlreichen (etwa 50 bis 5.000) Teilen pro Jahr zu erfüllen. Variationen des RTM-Verfahrens machen es gut zur Herstellung von großen, komplexen Aufbauten mit dickem Querschnitt für infrastrukturelle und militärische Anwendungen geeignet. Ein Beispiel dafür ist der untere Rumpf des Verbundstoff-Panzerkampfwagens (CAV) der Armee. Die Automobilindustrie verwendet RTM seit Jahrzehnten.
Das US-Patent Nr. 5,770,127 beschreibt eine Methode zur Herstellung eines kohlenstoff- oder graphitverstärkten Verbundstoffs. Ein starrer Kohlenstoffschaum-Vorformling wird im Inneren eines abgedichteten biegsamen Sacks angeordnet. Im Inneren des Sacks wird ein Vakuum erzeugt. Matrixharz wird durch ein Einlaßventil in den Sack eingebracht, um den Vorformling zu imprägnieren. Der Vorformling wird dann durch Erhitzen gehärtet. Der sich ergebende Kohlenstoff- oder Graphitaufbau wird dann aus dem Sack entfernt.
Das US-Patent Nr. 5,306,448 offenbart eine Methode zum Harzspritzpressen, das einen Speicher verwendet. Dieser Speicher umfaßt einen drucknachgiebigen porösen Schwamm, der das zwei- bis zehnfache des Gewichts des Schwamms an Harz enthält. Der Harzspeicher erleichtert das Harzspritzpressen, indem er einen Harzspeicher bereitstellt, der die gewünschte Imprägnierung eines porösen Vorformlings wie etwa eines porösen faserverstärkten Verbundstoffs sicherstellen kann.
Das US-Patent Nr. 5,654,059 offenbart die Herstellung dicker dreidimensionaler Mattenaufbauten, die diskontinuierliche Fasern aus hitzehärtbarem Pech umfassen, wobei Nadelstanzöffnungen zumindest zu 80 % durch den Aufbau verlaufen.
Das US-Patent Nr. 4,986,943 offenbart eine Methode zur Oxidationsstabilisierung von Matrizen auf Pechbasis für Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstoffe. Bei dieser Methode wird ein Gitterwerk aus Kohlefasern mit einem Matrixvorläufer auf Pechbasis infiltiert, bei einer Temperatur unter dem Erweichungspunkt des Pechs in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre oxidiert, und karbonisiert, um das Matrixmaterial in Koks umzuwandeln.
Bei einer typischen Extrusionsverarbeitung von Harzen und Kunststoffen wird eine visköse Schmelze unter Druck in einem fortlaufenden Strom durch ein formendes Mundstück gezwungen. Das Zufuhrmaterial kann im geschmolzenen Zustand in die Extrusionsvorrichtung eintreten, besteht jedoch häufiger aus festen Teilchen, die im Extruder einem Schmelzen, Mischen und einer Druckerzeugung ausgesetzt werden müssen. Das feste Zufuhrmaterial kann die Form von Körnchen, Pulver, Kügelchen, Flocken oder aufgearbeitetem Abfall aufweisen. Die Bestandteile können vorgemischt oder gesondert durch eine oder mehrere Zufuhröffnungen zugeführt werden.
Die meisten Extruder beinhalten eine einzelne Schnecke, die sich in einer waagerechten zylinderförmigen Trommel mit einer über einem Ende (dem Zufuhrende) angebrachten Zugangsöffnung und einem am Ausstoßende (Meteringende) angebrachten formenden Mundstück dreht. Eine Gruppe von Heizvorrichtungen kann entlang der Länge der Trommel gelegen sein, um den Extruder in einzelne Heizzonen zu trennen. Bei typischen Extrusionsanwendungen wird ein formendes Mundstück verwendet, um eine Faser, einen Stab oder eine andere Form zu bilden. Bei RTM-Verfahren kann das formende Mundstück durch eine Form ersetzt werden, die einen porösen Formteil oder Vorformling enthält.
Doppelschneckenextruder werden weniger als Einschneckenextruder verwendet, werden jedoch verbreitet für schwierige Mischungsherstellungsanwendungen, die Entfernung der flüchtigen Bestandteile und zum Extrudieren von Materialien mit hoher Viskosität und begrenzter Hitzestabilität eingesetzt. Doppelschneckengestaltungen können entweder gegenläufig oder gleichlaufend sein, und die Schnecken können völlig eingreifend, teilweise eingreifend oder nicht eingreifend sein. Die in der Technik bekannten Extrusionstechnologien werden in Concise Encyclopedia of Polymer Science and Engineering, Jaqueline I. Kroschwitz, Hrsg., John Wiley & Sons, 1990, Seite 363 bis 367; und Principles and Plasticating Extrusion, Z. Tadmore und I. Klein, Van Nostrand Reinhold, New York, 1970, besprochen.
Obwohl die Verwendung von Harzen mit hohem Verkohlungsertrag das Potential für einen verbesserten Kohlenstoffertrag und eine verringerte Anzahl von Verdichtungszyklen zum Erreichen der. Enddichte bietet, war ihre Verwendung in VPI- und RTM-Verfahren nicht erfolgreich. Die Verwendung der Harze mit hohem Verkohlungsertrag in VPI-Verfahren wurde beschränkt, da die Harze mit hohem Verkohlungsertrag eine hohe Viskosität aufweisen und höhere Temperaturen benötigt werden, um die Viskosität des Harzes und Pechs zur Imprägnierung zu verringern. Die höheren Verarbeitungstemperaturen und die höhere Viskosität der Harze mit hohem Verkohlungsertrag führen bei bestehenden VPI- und RTM-Verfahren zu den folgenden Problemen:

1) Die Harze beginnen, vor der Imprägnierung in den Haltebehältern zu härten.
2) Zur Imprägnierung des hochviskösen Harzes werden höhere Drücke benötigt.
3) Eine nicht gleichförmige und unvollständige Infiltration des Harzes in den porösen Formteil führt zu trockenen Stellen (Porosität), die durch die Einbettung von Lufteinschlüssen in den Vorformlingen verursacht werden.

Die erfolgreiche Verwendung von Harzen mit hohem Verkohlungsertrag in RTM-Verfahren würde durch eine Verringerung der Anzahl von Imprägnierungszyklen zum Erreichen der erforderliche Enddichte im Vergleich zu bestehenden CVD/CVI- und VPI-Verfahren bedeutende Verringerungen in der Verdichtungszykluszeit von Verbundstoffmaterialien bereitstellen. Zusätzlich würde die Verwendung von Harzen mit hohem Verkohlungsertrag in RTM-Verfahren auch eine Verringerung der Harzverschwendung bereitstellen (90%ige Verwendung des Harzes).
Die erfolgreiche Verwendung von Harzen mit hohem Verkohlungsertrag in RTM-Verfahren erfordert mehrere Neuerungen einschließlich

1) eines Mittels zum Bereitstellen eines effizienten gleichförmigen Flusses des hochviskösen Harzes in und durch den Vorformling;
2) eines Mittels zum Verhindern der Bildung von trockenen Einschlüssen, die durch eine Kombination aus einer unvollständigen Imprägnierung des Harzes und eines Einschlusses von Luft und flüchtigen Stoffen im Vorformling verursacht werden, und dadurch einer Maximierung der Verdichtungseffizienz.

Der Stand der Technik zeigt den Bedarf an einer Methode und einer Vorrichtung zum Imprägnieren eines porösen Vorformlings mit einem hochviskösen geschmolzenen Harz (zum Beispiel AR-Mesophasenpech) bei hohen Temperaturen. Der sich ergebende imprägnierte Vorformling ist vorzugsweise frei von "trockenen Stellen" und weist die Fähigkeit auf, weitere Verarbeitungen wie etwa eine oxidative Stabilisierung, eine Karbonisierung und Graphitisierung zu ertragen.
Das Dokument EP-A-348 129 offenbart eine RTM-Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Das Dokument US-A-5,248,467 offenbart ein RTM-Verfahren nach dem Oberbegriff von Anspruch 9.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung stellt zum Teil eine schnelle diskrete Infiltration eines porösen faserigen Vorformlings oder eines starren porösen Formteils unter Verwendung eines hochviskösen Harzes mit hohem Verkohlungsertrag (z.B. Mesophasenpech) bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt zum Teil eine Vorrichtung und eine Methode zur Verwendung von hochviskösem Mesophasenpech zum Verdichten eines starren Formteils bereit.
Die vorliegende Erfindung stellt zum Teil auch einen Extruder oder eine ähnliche Vorrichtung zum gleichförmigen Schmelzen und Mischen des Injektionsmediums (hochvisköses Harz) bereit. Der Extruder kann entweder ein Einschnecken- oder ein Doppelschneckenextruder sein. Aufgrund seiner geringeren Kosten ist ein Einschneckenextruder bevorzugt.
Die vorliegende Erfindung stellt zum Teil auch einen Extruder bereit, der mit einem Akkumulator ausgerüstet ist, um eine gesteuerte Menge an geschmolzenem Harz zu halten, bevor die gesteuerte Menge an Harz unter Druck in eine Form injiziert wird. Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß sie eine Harzspritzpreßmethode bereitstellt, die eine Harzverschwendung beseitigt.
Die vorliegende Erfindung stellt zum Teil auch eine hydraulische Presse bereit, um eine Form, die den porösen Vorformling oder den starren porösen Formteil enthält, zu beschränken.
Die vorliegende Erfindung stellt zum Teil auch eine Form bereit, die das Harz effizient gleichförmig über den ganzen Vorformling hinweg verbreitet.
Die vorliegende Erfindung stellt zum Teil auch eine Form bereit, die im Inneren der Presse waagerecht ausgerichtet werden kann. Eine Angußöffnung, die eine Düse aufweist, kann in der Mitte einer Fläche einer Formhälfte angeordnet sein. Die Form kann verjüngte Hohlräume aufweisen, um einen angemessenen Fluß des geschmolzenen Harzes zu fördern.
Die vorliegende Erfindung betrifft zum Teil auch ein Harzspritzpreßverfahren, das Folgendes umfaßt: Anordnen eines porösen Vorformlings in einer Form; Injizieren eines geschmolzenen Harzes oder Pechs in die Form; Gestatten eines Abkühlens des Harzes oder Pechs unter den Schmelzpunkt; und Entfernen des imprägnierten Vorformlings aus der Form, wobei die Form eine obere Hälfte; eine untere Hälfte, die der oberen Hälfte gegenüberliegt, so daß die obere Hälfte und die untere Hälfte einen Formhohlraum bilden; zumindest eine Angußöffnung, die in der oberen Hälfte oder der unteren Hälfte angeordnet ist; ein Ventil, das Harz in die Angußöffnung einlassen kann; und eine Anordnung, um der Form eine Entlüftung und/oder ein Vakuum bereitzustellen, umfaßt.
Der poröse Formteil kann ein faseriger Vorformling, ein Kohle- oder Keramikfaser-Vorformling, ein Vliesstoff-Vorformling, ein formfest gemachter faseriger Vorformling, ein poröser Kohle- oder Keramik-Formteil, oder ein Schaum-Vorformling oder ein formfest gemachter Schaum-Vorformling sein. Der Vorformling kann karbonisiert oder graphitiert sein. Der Vorformling kann unter Verwendung von CVD/CVI infiltriert werden. Der Vorformling kann im Voraus harzinfiltriert sein. Der Vorformling kann entweder vor oder nach der Anordnung in der Form auf eine Temperatur zwischen etwa 290 und 425 °C (554 bis 797 °F) erhitzt werden. Der Vorformling kann auf eine Temperatur über dem Harz- oder Pechschmelzpunkt erhitzt werden. Die Form wird auf eine Temperatur zwischen etwa 138 und 310 °C (280 und 590 °F) erhitzt. Beim Harz oder Pech kann es sich um ein Derivat von Kohlenteer-, Erdöl- oder synthetischen Pechvorläufern wie etwa synthetisches Pech, Kohlenteerpech, Erdölpech, Mesophasenpech, hitzehärtbares Harz mit hohem Verkohlungsertrag oder Kombinationen davon handeln. Mehrere Teile können in eine einzelne Form geladen werden.
Ferner kann der verdichtete Teil nach einem Teil der Erfindung im Anschluß an die Verdichtung bei einer erhöhten Temperatur in einer sauerstoffhaltigen Umgebung behandelt werden, um das thermoplastische Harz wirksam zu vernetzen. Dieses Verfahren, das dem bei der Herstellung von Kohlefasern auf Pechbasis ausgeführten ähnlich ist, fixiert die Matrix innerhalb des Vorformlings an der Stelle und verhindert ein Erweichen, Aufblähen und Austreiben der Matrix während des nachfolgenden Erhitzens über den Harzschmelzpunkt. Die Sauerstoffstabilisierung kann ein Erhitzen des verdichteten Teils unter Anwesenheit von Sauerstoff auf eine Temperatur von weniger als dem Erweichungspunkt des Harzes (302 bis 482 °F, 150 bis 250 °C), typischerweise 338 °F (170 °C) mit sich bringen. Zusätzliche Behandlungen des verdichteten Teils können eine Karbonisierung, eine Graphitierung und eine Reimprägnierung unter Verwendung von RTM oder CVD/CVI beinhalten.
Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, den beiliegenden Ansprüchen und den beiliegenden Zeichnungen völlig einleuchtend werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachstehend gegebenen Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen, die nur zur Veranschaulichung geboten werden und die vorliegende Erfindung somit nicht beschränken, genauer verständlich werden. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
1a und 1b zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht eines faserigen Vorformlings, der nach der vorliegenden Erfindung bearbeitet werden kann.
2a zeigt eine Extrusionsharzformungsvorrichtung nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2b zeigt den Extruder der Formungsvorrichtung ausführlich.
3 zeigt einen Querschnitt einer Form nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließlich einer schematischen Darstellung des Harzflusses um und durch den Vorformling.
4 zeigt einen Querschnitt einer verjüngten Formkammer nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einschließlich einer schematischen Darstellung des Harzflusses um und durch den Vorformling.
5 zeigt die den Querschnitten von 3 und 4 entsprechenden oberen und unteren Formhälften nach der vorliegenden Erfindung.
6 zeigt eine alternative Ausführungsform der unteren Hälfte einer Form nach der vorliegenden Erfindung.
7 zeigt eine Seitenansicht einer Form nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
8 zeigt eine Draufsicht auf eine andere Entlüftungsgestaltung für die untere Hälfte einer Form nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 zeigt eine Seitenansicht der Gestaltung von zwei Vorformlingen im Formhohlraum nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
10 zeigt eine schematische Darstellung des Flusses des Harzes oder Pechs durch die gestapelten Vorformlinge nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11 zeigt die Beziehung zwischen der Viskosität und der Temperatur von AR-Harz.
12 zeigt den Bereich der Temperatur und der Viskosität, die für die Pechimprägnierung angemessen sind.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine Methode des schnellen Verdichtens eines porösen Formteils oder eines Vorformlings (zum Beispiel eines kohlefaserverstärkten Vorformlings oder eines porösen formfest gemachten Vorformlings) umfaßt einzelne oder mehrfache Infiltrations- und Karbonisierungsschritte unter Verwendung eines hochviskösen Harzes mit hohem Kohlenstoffertrag. Beim Infiltrationsmedium kann es sich um Kohlenteerpech, Erdölpech, Mesophasenpech, hitzehärtbares Harz mit hohem Verkohlungsertrag oder Kombinationen davon handeln. Die Merkmale, einzeln oder in Kombination, des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung (und in Bezug zum typischen RTM) beinhalten:

a) die Verwendung eines hochviskösen Pechs oder Harzes mit hohem Schmelzpunkt,
b) die Verwendung eines Pechs oder Harzes mit hohem Verkohlungsertrag,
c) die Verwendung eines Extruders zum On-line-Schmelzen und -Mischen,
d) die Verwendung von verhältnismäßig dicken Teilen,
e) die Verwendung von Kohlenstoffschaum-Vorformlingen,
f) die Verwendung von starren, porösen Formteilen,
g) das Erreichen einer schnellen Infiltration (in der Größenordnung von Sekunden) eines Teils,
h) die Verwendung von kühleren Formtemperaturen aufgrund der schnellen Infiltration,
i) die Fähigkeit, das Pech- oder Harzimprägnierungsmittel während des RTM zu schäumen, um einen zusätzlichen Oberflächenbereich zu schaffen, um die CVD/CVI bzw. die thermalen Eigenschaften zu unterstützen oder den Oberflächenbereich abzuwandeln,
j) die Fähigkeit, eine Flußstruktur zu verleihen, wenn mit einem Flüssigkristall wie etwa Mesophasenpech infiltriert wird, und
k) die Fähigkeit, vor der Infiltration andere Materialien in die Harzschmelze zu mischen.

Die folgenden Beispiele beschreiben die Verwendung der Extrusion, des Akkumulators und der Formungstechnologien in Kombination, um einzigartige Ausrüstungen und Verfahren für die Verdichtung von porösen Formteilen mit hochviskösen Harzen mit hohem Verkohlungsertrag bereitzustellen.
Zum Zweck dieser Anmeldung ist Harz als ein thermoplastischer oder hitzehärtbarer flüssiger Vorläufer einschließlich, beispielweise, Phenol, Furfuryl, wie auch Peche einschließlich der von Kohlenteer, Erdöl-, synthetischen, thermisch behandelten und katalytisch umgewandelten Pechen bzw. Mesophasenpechen abstammenden, wie auch präkeramische Polymere wie etwa Ceraset^®, das von Commodore Technologies, Inc. erhältlich ist, definiert.
Zum Zweck dieser Anmeldung ist eine Form als ein Aufnahmebehälter definiert, in dem der poröse Formteil oder Vorformling enthalten ist und in den die Infiltration des Harzes erfolgt.
In den ersten beiden Beispielen wurde ein kleinformatiger poröser faseriger Vorformling ähnlich dem in Flugzeugbremsenanwendungen verwendeten mit einem Harz mit hohem Verkohlungsertrag verdichtet. 1a und 1b zeigen eine Draufsicht und eine Seitenansicht des für diese Beispiele verwendeten faserigen Vorformlings. Ein derartiger Vorformling 1 kann einen Durchmesser von fünf Zoll aufweisen. In der Mitte des Vorformlings 1 befindet sich ein Loch 2, das einen Durchmesser von 0,5 Zoll (1,27 cm) bis mehrere Zoll aufweisen kann. Der Vorformling kann eine Dicke von einem Zoll (2,54 cm) aufweisen.
Anfängliche Experimente wurden unter Verwendung eines Extruders, z.B. eines Killion-Extruders, der mit einer Aluminiumform ausgerüstet war, welche mit einer kleinen Entlüftungsöffnung, z.B. einer 0,031-Zoll(0,79 mm)-Mundstücköffnung ausgestattet war, um während der Imprägnierung eine Entlüftung von eingeschlossener Luft und flüchtigen Stoffen aus dem Vorformling zu ermöglichen, durchgeführt. Diese Öffnung wurde gestaltet, um bei einer gegebenen Umdrehungszahl des Extruders einen Gegendruck auf die Form zu bewahren, wodurch die Form unter Druck gesetzt wurde und eine gleichförmige Infiltration des porösen Vorformlings mit Harz ermöglicht wurde. Pechpulver oder -körnchen wurden in den Einschneckenextruder geführt. Der Extruder war mit Heizzonen entlang der Trommel ausgestattet. Das Harz (AR-Pech) wurde im Extruder geschmolzen, bevor es direkt in die erhitzte Form extrudiert wurde.
BEISPIEL 1

Ein Killion-Extruder mit einem Verhältnis der Länge zum Durchmesser von 35 : 1 und mit fünf Heizzonen entlang der Trommel wurde direkt an eine erhitzte Aluminiumform gekoppelt. Das Temperaturprofil des Extruders war wie folgt:

Zufuhrabschnitt =	240°C (464°F) Zone 1
	278°C (532°F) Zone 2
	310°C (590°F) Zone 3
	305°C (581°F) Zone 4
	300°C (572°F) Zone 5
	305°C (581°F) Mundstückzone
	300°C (572°F) Form

Der faserige Vorformling wurde vor der Infiltration zwei Stunden lang in der Form vorerhitzt, bis eine Innentemperatur von 285 °C (545 °F) erreicht war. Die Extruderschnecke wurde anfänglich mit 20 U/min betrieben und die Umdrehungszahl während des Betriebs auf 15 U/min verringert. Das AR-Pechharz wurde über einen Trichter in den Extruder eingebracht und während eines Zeitraums von zwei Stunden bei einem Druck der Schmelze von 800 bis 900 psi (5,52 bis 6,21 MPa) in den porösen Faser-Vorformling extrudiert. Die tatsächliche Temperatur der Harzschmelze wurde unter Verwendung eines im Fluß der Schmelze gelegenen Thermoelements gemessen.
Die Temperatur der Schmelze während der Infiltration betrug 318 °C bis 321 °C (604 bis 610 °F) und ist aufgrund der zusätzlichen Scherenergie, die der Schmelze durch die Schnecke im Extruder auferlegt wird, höher als die Sollwerttemperaturen des Extruders. Die Extruderschnecke wurde während des zweistündigen Betriebs ein- und ausgeschaltet, um einen Druck der Schmelze von 800 bis 900 psi (5,52 bis 6,21 MPa) aufrechtzuerhalten.
Nach etwa zehn bis fünfzehn Minuten wurde beobachtet, daß Harz aus der an der Seite der Form gelegenen Ent lüftungsöffnung mit der Größe von 1/32 Zoll (0,79 mm) austrat.
Nach zwei Stunden wurde die Form abgekühlt und die Hitzequelle abgeschaltet. Nachdem die Hitze für etwa dreißig Minuten abgeschaltet war, wurde die Form zerlegt und der Teil entfernt. Nach der Entfernung wurde der Teil in zwei Hälften geschnitten und visuell untersucht. Der Teil war beinahe völlig mit Harz gefüllt, enthielt jedoch einen kleinen trockenen Bereich und zeigte zwischen Stoffschichten gewisse Anzeichen einer Schichtentrennung.
Obwohl die Imprägnierung des hochviskösen Harzes in den porösen Vorformling erfolgreich war, wurden mehrere zu verbessernde Bereiche identifiziert, die

1) eine verringerte Imprägnierungszeit,
2) eine Verringerung der Größe von trockenen Bereichen,
3) eine Beseitigung der Neigung des Teils zur Schichtentrennung beinhalteten.

Ein RTM-Verdichtungsverfahren zum Verdichten eines durch CVD formfest gemachten porösen faserigen Vorformlings ist in Beispiel 2 gezeigt. Die CVD-Formfestmachung des Vorformlings wurde durchgeführt, um den porösen Vorformling zu stärken und die Neigung des faserigen Vorformlings zur Schichtentrennung zu verringern.
BEISPIEL 2
Ein poröser Vliesstoff-Vorformling wurde karbonisiert und einem Zyklus einer CVD-Verdichtung ausgesetzt, um den Teil formfest zu machen, bevor er mit Harz infiltriert wurde.

Das wie in Beispiel 1 beschriebene Killion-Extruder/Form-System wurde verwendet. Ein durch CVD formfest gemachter faseriger Vorformling mit einem Durchmesser von fünf Zoll (12,7 cm), mit einer Dicke von einem Zoll (2,54 cm) und mit einem in die Mitte gebohrten Loch vom 0,5 Zoll (1,27 cm) wurde von einem Flugzeugbremsscheiben-Vorformling in natürlicher Größe geschnitten (siehe 1 und 2). Die Aluminiumform wies einen Durchmesser von sechs Zoll (15,24 cm) und eine Dicke von einem Zoll (2,54 cm) auf und war mit einer Entlüftungsöffnung von 0,052 Zoll (1,32 mm) ausgerüstet. Die größere Entlüftungsöffnung wurde verwendet, um die Entlüftung des Harzes (AR-Pech) aus der Form zu verbessern, während der Extruder während des gesamten Infiltrationsvorgangs in Betrieb gehalten wurde. Das Ziel war, die Schnecke in Drehung zu halten, einen konstanten Druck aufrechtzuerhalten, eine Schmelzedichtung entlang der Schnecke bereitzustellen und die gesamte Betriebszeit von zwei Stunden auf fünfzehn Minuten zu verringern. Die Extrudereinstellungen sind nachstehend beschrieben:

Zufuhrabschnitt =	240°C (464°F) Zone 1
	278°C (532°F) Zone 2
	310°C (590°F) Zone 3
	310°C (590°F) Zone 4
	305°C (581°F) Zone 5
	305°C (581°F) Mundstück
	305°C (581°F) Mundstück (hinzugefügte zusätzliche Mundstücksteuerung)
	305°C (581°F) Form

Der zu infiltrierende Teil wurde erneut vor der Inbetriebnahme des Extruders zwei Stunden lang in der Form erhitzt. Das Harz (AR-Mesophasenpech) wurde dem Extruder von einem Trichter zugeführt. Das Harz wurde fünfzehn Minuten lang extrudiert, bis beobachtet wurde, daß Harz aus der Entlüftungsöffnung austrat. Die Form wurde dann zwanzig Minuten lang abgekühlt. Während der Infiltration fiel der Druck aufgrund eines Flanschdichtungslecks in der Form von anfänglich 850 psi (5,86 MPa) auf 260 psi (1,79 MPa).
Der Vorformling wies ein ursprüngliches Gewicht vor der Infiltration von 0,815 Pfund (369,7 g) auf und nahm 0,172 Pfund (77,9 g) zu, um ein Endgewicht von 0,987 Pfund (447,6 g) zu erreichen. Die ursprüngliche Dichte betrug 0,048 Pfund/Kubikzoll (1,34 g/cm³) und die Enddichte 0,059 Pfund/Kubikzoll (1,63 g/cm3). Der infiltrierte Vorformling wurde in zwei Hälften geschnitten und war mit Ausnahme eines kleinen trockenen Bereichs völlig gefüllt. Der trockene Bereich kann durch das Formdichtungsleck und den sich daraus ergebenden Abfall des Infiltrationsdrucks verursacht worden sein. Es gab jedoch kein Anzeichen jedweder Schichtentrennung im durch CVD formfest gemachten Vorformling, der mit hochviskösem Harz (AR-Mesophasenpech) verdichtet worden war.
Die Ergebnisse aus den anfänglichen Harzspritzpreßversuchen zeigten an, daß die Infiltration von faserigen Vorformlingen mit einem hochviskösen Harz mit einem hohen Verkohlungsertrag (AR-Mesophasenpech) durch Verwendung von Harzformungsverfahren erreichbar ist. Die folgende Beschreibung und die anschließenden Beispiele zeigen die Imprägnierung von größeren Vorformlingen, die für die in Flugzeugbremsenanwendungen verwendeten typisch sind, unter Verwendung des Verfahrens und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.
2a zeigt die Harzspritzpreßvorrichtung der vorliegenden Erfindung. 2b zeigt den Extruder ausführlicher. Das Rohmaterial, typischerweise AR-Mesophasenpechharz, das durch Mitsubishi Gas Chemical Company, Inc., vertrieben wird, wird in einen Trichter 3 geladen, der an einem Extruder 4 angebracht ist. Der Extru der kann ein Einschneckenextruder, ein Doppelschneckenextruder, ein entlüfteter Doppelschneckenextruder oder ein Schneckenextruder mit oszillierender Schnecke sein. Die Extruderschnecke 5 kann entweder eine Einzelschnecke oder eine Doppelschnecke sein, doch aus wirtschaftlichen Gründen ist ein Einschneckenextruder bevorzugt. Die Extruderschnecke 5 führt Harz durch den Auslaufstutzen 70 zu und erhitzt das Harz allmählich, während es die Länge der Trommel 6 entlang transportiert wird. Der Maddock-Mischer 71 hilft durch das Hinzufügen einer mechanischen Arbeit bei der Sicherstellung einer homogeneren Schmelze. Der Maddock-Mischer bricht die Harzflußmuster auf und verbessert durch das Ausüben einer Scherung auch das Mischen von Zusatzstoffen in einem Einschneckenextruder. Der statische Mischer 72 enthält statische Mischelemente. Edelstahlstäbe sind zusammengeschweißt und wirken als Flußkanäle, um das geschmolzene Harz (und jedwede anderen Zusatzstoffe) von der Mitte der Trommel zur Wand der Trommel und wieder zurück zu tragen. Jedes Mischelement ist um einige Grad in Bezug auf das benachbarte Element gedreht. Der Maddock-Mischer und die statischen Mischerelemente am Ende der Extruderschnecke ermöglichen die Verwendung eines Einzelschneckenextruders, indem sie das Mischen der Harzschmelze verbessern und Temperaturschwankungen verringern. Das Harz wird dann in einen Akkumulator 8 transportiert. Der Akkumulator 8 kann ein Kolbenakkumulator sein. Der Akkumulator kann auch ein hydraulisch betätigter Kolbenakkumulator sein. Der Druck der Harzschmelze, der durch den Extruder erzeugt wird, drängt den Kolben 7 im Inneren des Akkumulators 8 in die gewünschte Stellung zurück. Die Erfindung kann auch durch direkte Injektion der Schmelze ohne die Verwendung des Akkumulators 8 und des Kolbens 7 ausgeführt werden. Nachdem die gewünschte Harzmenge angesammelt wurde, bewegt sich der Akkumulatorkolben 7 vorwärts und drängt die gesteuerte Harzmenge durch das Spritzrohr 9 in den Formhohlraum. Eine Anordnung von Ventilen (nicht gezeigt) ist in Bezug auf das Spritzrohr bereitgestellt, um den Fluß bzw. den Rückfluß des Harzes zu steuern. Der zu infiltrierende Teil ist im Inneren der Form 10 enthalten. Die Formtemperatur wird durch Verwendung einer mit einem Wärmeaustauscher ausgestatteten Ölumlaufpumpe gesteuert. Die Extrudertemperatur wird durch eine Gruppe von wassergekühlten Gußaluminium-Heizvorrichtungen 11 und eine Gruppe von Temperatursteuerungen (nicht gezeigt) aufrechterhalten.
Der zu infiltrierende Teil wird in einem Ofen oder im Inneren des Formhohlraums auf eine Temperatur bei oder über der Harzschmelztemperatur vorerhitzt. Die Form ist im Inneren einer Presse 12 enthalten oder gelegen. Die Presse 12 kann eine hydraulische Presse sein. Obwohl in 2 eine senkrecht wirkende Presse dargestellt ist, könnte auch eine waagerecht wirkende Presse verwendet werden. Die Form muß auch nicht notwendigerweise völlig im Inneren der Presse gelegen sein. Die Klemmkraft der Presse 12, die von der Größe des verwendeten Teils abhängig ist (in den angeführten Beispielen wurde eine 500-Tonnen-Presse verwendet), wirkt dem Druck des in den Formhohlraum gedrängten Harzes entgegen. Die Form 10 wird ebenfalls erhitzt. Der infiltrierte Teil verbleibt im Inneren der Form 10, bis das Harz unter den Schmelzpunkt abkühlt, und der Teil wird dann entnommen.
Eine Methode des Verfahrensvorgangs umfaßt das Evakuieren der Form vor und/oder während der Infiltration. Diese Methode erfordert, daß die Form ziemlich abdichtet und das Vakuum hält. Die Verwendung eines Vakuums erfordert jedoch zusätzliche Komplexität und Kosten. Die bevorzugte Methode umfaßt die in 3, 4 und 5 gezeigten Formgestaltungen. Die Grundlage dieser Gestaltungen ist, daß das Harz frei um den Innendurchmesser, die Oberseite und die Unterseite des porösen Vorformlings oder der Scheibe fließt. Die Ringe am Außendurchmesser der Form 20 und 21 (oder der enge Spalt aufgrund der Verjüngung 30 und 31) drängen das Harz wie auch die ursprünglich im Teil vorhandene Luft und die sich aus dem Harz lösenden flüchtigen Stoffe wirksam durch den Teil und zur Entlüftungsöffnung 22 und 32 am Außendurchmesser des Teils, die durch Halten eines Abstands zwischen den Formhälften gebildet wird. Wenn die Form abgedichtet ist und kein Vakuum angewandt wird, bettet das Harz den Teil völlig ein und infiltriert ihn von allen Seiten her. Die Luft, die ursprünglich im Teil vorhanden war, und die flüchtigen Stoffe aus dem Harz werden zu einem immer geringeren Volumen zusammengepreßt, während das Harz den Teil füllt und der Druck in der Formkammer zunimmt. Dies führt schließlich zu einem kleinen porösen Bereich einer "trockenen Stelle", die nicht durch das Harz imprägniert ist. Es hat sich erwiesen, daß die Formgestaltung mit Nasen das Problem der trockenen Stellen im Teil ohne die Notwendigkeit des Ziehens eines Vakuums an der Formkammer beseitigt.
3 zeigt einen Querschnitt einer Form nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der ringförmige Ringvorformling 18 ist in der ringförmigen Kammer 19 angeordnet. Die ringförmige Formkammer 19 wird durch eine Angußöffnung 13, die durch die obere Angußöffnung 14 und die untere Angußöffnung 15 gesteuert wird, von der Mitte her gespeist. Die untere Angußöffnung 15 ist mit einer Düse 16 ausgestattet, die einen Abschlußstab 17 aufweist. Die ringförmige Kammer 19 ist mit zwei Außendurchmesserringen 20 bzw. 21 ausgestattet. Jeder der Außendurchmesserringe weist eine Überlappung mit dem Vorformling von etwa 1/4 bis 1/2 Zoll (6,35 bis 12,7 mm) auf. Der kleinere Zwischenraum zwischen den Vorformlingen und den Außendurchmesserringen erleichtert den Einschluß des Flusses des geschmolzenen Harzes, indem er vom Ende, das die Außendurchmesserringe 20 bzw. 21 aufweist, zum Innendurchmessereinlaß (der Angußöffnung) ein Fluß-Widerstands-Differential in der Form schafft. Das Differential weist einen größeren Flußwiderstand am Außendurchmesserringende und einen niedrigeren Flußwiderstand entlang des Vorformlings auf, so daß das hochvisköse Harz den Vorformling wirksam infiltrieren kann. Die Entlüftungsöffnung 22 beseitigt Lufteinschlüsse, flüchtige Gase und überschüssiges Harz. Obwohl das Verfahren mit oder ohne die Verwendung eines Vakuums durchgeführt werden kann, ist das Verfahren so wirksam, daß kein Vakuum benötigt wird.
4 zeigt einen Querschnitt einer Form mit einer verjüngten Kammer nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die ringförmige Formkammer 29 wird durch eine Angußöffnung 23, die durch die obere Angußöffnung 24 und die untere Angußöffnung 25 gesteuert wird, von der Mitte her gespeist. Die untere Angußöffnung 25 ist mit einer Düse 26 ausgestattet, die einen Abschlußstab 27 aufweist. Ein ringförmiger Vorformling 28 ist in der Kammer 29 des Formhohlraums angeordnet. Die Kammer 29 ist mit verjüngten Wänden 30 bzw. 31 ausgestattet. Die Richtung der Verjüngung der oberen Wand und der unteren Wand verläuft zur Mitte der Kammer hin, während sich die Kammer einem Rand des Formhohlraums annähert. Der kleinere Zwischenraum zwischen dem verjüngten Bereich und dem äußeren Rand des Vorformlings am Außendurchmesser der Form beschränkt den Fluß und ermöglicht, daß das hochvisköse Harz den Vorformling in einer der Art, in der die Ausführungsform von 3 ein Fluß-Widerstands-Differential erreicht, ähnlichen Weise wirksam infiltriert. Die Formentlüftungsöffnung 32 beseitigt Lufteinschlüsse, flüchtige Gase und überschüssiges Harz. Obwohl das Verfahren mit oder ohne die Verwendung eines Vakuums durchgeführt werden kann, ist das Verfahren so wirksam, daß kein Vakuum benötigt wird.
3 und 4 veranschaulichen Formen, die nur eine Kammer aufweisen. Alternativ könnte die Formkammer so gestaltet sein, daß sie mehrere poröse Formteile hält. Die Hohlräume (oder Kammern) stellen einen Kompromiß von verschiedenen konkurrierenden Gestaltungserwägungen dar, deren relative Vorrangigkeiten sich von Anwendung zu Anwendung ändern.
Die Entlüftung wird auch durch die Formoberflächen durchgeführt. 5 ist eine Ansicht der oberen und der unteren Hälfte einer ringförmigen Einzelkammer-Form einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die untere Hälfte der Form weist Führungsstifte 33a, 33b, 33c und 33d auf , um die Ausrichtung der oberen und der unteren Hälfte der Form zu erleichtern. Der mittlere Formhohlraum 35 weist eine Angußöffnung 36 zur Injektion des Pechs oder Harzes auf. Zwischen den Führungsstiften 33a, 33b, 33c und 33d und der Formkammer 43 sind Abstandsblöcke 34a, 34b, 34c und 34d angeordnet, die eine gleichmäßige Entlüftung der Atmosphäre und der flüchtigen Stoffe aus dem Formhohlraum ermöglichen. Die Abstandsblöcke können eine Dicke von 0,005 Zoll bis 0,200 Zoll (0,13 bis 5,1 mm) aufweisen. Alternativ könnten feste Distanzstücke oder maschinell gefertigte Rillen in der Form verwendet werden, um eine Entlüftung bereitzustellen.
Die Entlüftung wird während der Injektion von Harz in die Form durchgeführt. Alternativ kann der Form vor der Harzinjektion ein Vakuum bereitgestellt werden. Ein Vakuum kann der Form auch während der Harzinjektion bereitgestellt werden.
6 zeigt eine Draufsicht auf die untere Hälfte der Form nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Entlüftungsring 37 ist mit vier Entlüftungsanschlüssen 38a, 38b, 38c und 38d ausgestattet. Die Angußöffnung 15 ist in der Formkammer 29 angeordnet. Die Entlüftungsanschlüsse 38a, 38b, 38c und 38d sind zu einem äußeren Entlüftungsanschluß 39 geleitet, der z.B. eine Öffnung von 0,062 Zoll (1,6 mm) aufweisen kann. Ein Heizvorrichtungsband 49 umgibt den Entlüftungsanschluß 48.
7 ist eine Seitenansicht der Form nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Eine untere Hälfte der Form 41 paßt mit einer oberen Hälfte der Form 42 zusammen, um eine vollständige Formanordnung zu bilden, die eine zylinderförmige Kammer aufweist. Der Entlüftungsanschluß 39 ist in der unteren Hälfte der Form 41 gelegen. Der Entlüftungsanschluß 39 kann z.B. einen Durchmesser von entweder 0,062 Zoll (1,6 mm) oder 0,125 Zoll (3,2 mm) aufweisen.
8 zeigt eine Draufsicht auf eine andere Entlüftungsgestaltung für die untere Hälfte der Form nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Lüftungsanschlüsse 43a, 43b, 43c und 43d sind zum äußeren Lüftungsanschluß 44 geleitet. In dieser Ausführungsform ist der Lüftungsanschluß 44 für eine Dauerentlüftung mit einem Bohrungsbolzen 45 mit einem Durchmesser von z.B. 0,062 Zoll (1,6 mm) oder 0,125 Zoll (3,2 mm) eingerichtet. Innere Entlüftungsöffnungen 46 liefern das Abgas zum Entlüftungsanschluß 44.
Wie in 8 gezeigt wurde eine zusätzliche Abänderung durchgeführt, um die Formkammerdrücke über den Infiltrationsvorgang hinweg gleichförmig zu halten und geschmolzenes Harz von einem Eindringen in die Entlüftungsabschlüsse abzuhalten. Dieses zusätzliche Merkmal umfaßte das Versehen der Entlüftungsanschlüsse (Einlässe in den Entlüftungsring 46) 43a, 43b, 43c und 43d mit Gewinden und das Einsetzen von Einsätzen mit kleinen Öffnungen, um einen Druckabfall zu schaffen. Dies hilft, den Hohlraumdruck (während der Injektion gleichförmig) zu steuern und gestattet, daß sich das geschmolzene Pech verfestigt (da die Entlüftungsanschlüsse 43a, 43b, 43c und 43d die umgebende Form als einen Kühlkörper aufweisen) und nicht in die inneren Entlüftungsöffnungen fließt.
Die vorliegende Erfindung erreicht die Vorformlingverdichtung mit geschmolzenem Pech durch Extrusion und In jektion von Pech. Zusätzliche Vorteile können jedoch verwirklicht werden, wenn man in Betracht zieht, daß die Extrusion und die Injektion von Pech in die Form und den Vorformling unter Verwendung der Injektionseinheit zur Lieferung eines gleichförmigen Drucks ein sehr schneller Vorgang ist. Die Injektion von Vorformlingen geht schnell vor sich, je nach der Größe des Vorformlings in der Größenordnung von weniger als einer Minute bis zu einigen Sekunden. Der Injektionsvorgang ist schnell genug, um zu gestatten, daß viel kühlere Formtemperaturen, sogar unter dem Harzschmelzpunkt, erreicht werden. Der poröse Vorformling muß jedoch auf eine Temperatur über dem Pecherweichungspunkt vorerhitzt werden, um zu gestatten, daß das geschmolzene Harz unter Druck in den Vorformling fließt. Die industrielle Leistungsfähigkeit erfordert, daß dieser Vorgang schnell abgeschlossen ist. Eine passende Steuerung der Druckerzeugung beschleunigt den Infiltrationsvorgang.
Mit einer passenden Drucksteuerung können Vorformlinge schneller imprägniert werden, ohne daß im Formhohlraum extreme Kräfte erzeugt werden, die ein Öffnen der Presse während des Imprägnierungsvorgangs verursachen könnten. Die Form öffnet sich, wenn die Kräfte im Inneren der Formkammer größer als die ausgeübte Druckkraft der Klemmvorrichtung ist, wobei der Bereich der Formkammer und die ausgeübte Druckkraft (z.B. 500 Tonnen) in Betracht gezogen werden. Die Drücke der Schmelze während des Imprägnierungsvorgangs würden in der Form für Flugzeugbremsscheiben-Vorformlinge geringer als, z.B., 3000 psi sein. Dieser Druck wird durch das hydraulische System und die Formentlüftung gesteuert, wie in 6 bis 8 gezeigt ist.
9 zeigt die Gestaltung von zwei Vorformlingen in der Formkammer nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der untere Vorformling 47 und der obere Vorformling 48 sind zwischen der unteren Form oberfläche 49 und der oberen Formoberfläche 50 gestapelt. Formoberflächendistanzstücke 51, 52 und 53 sind zwischen den Vorformlingen 47 und 48 und ihren jeweiligen entsprechenden Formoberflächen 49 und 50 angeordnet. Stapeldistanzstücke 52 sind zwischen den Vorformlingen angeordnet. Die Formoberflächendistanzstücke 51, 53 können eine Dicke von 0,125 Zoll (3,2 mm) und die Stapeldistanzstücke 52 eine Dicke von 0,062 Zoll (1,6 mm) aufweisen.
10 zeigt den Fluß des Harzes oder Pechs durch die gestapelten Vorformlinge nach der vorliegenden Erfindung. Das Harz betritt die Form durch die Angußöffnung 54 und fließt gleichmäßig durch und um die Vorformlinge 55 und 56, um eine gleichförmige Imprägnierung der Vorformlinge zu bieten. Die von den Vorformlingen weg gerichteten Pechflußlinien verlaufen zum Entlüftungsring (nicht gezeigt).
Die Vorteile der RTM-Verdichtung gegenüber anderen Verdichtungsmethoden wie z.B. CVD beinhalten eine schnelle Infiltration, eine gleichmäßigere Dichte über die Dicke hinweg, eine Fähigkeit, große innere Porositäten zu füllen (zu verdichten), und die Erlangung höherer Enddichten. Die Vorrichtung und die Methode der vorliegenden Erfindung führt zur wirksamen Verdichtung von Vorformlingen mit hochviskösem Mesophasenpech.
AR-Mesophasenpech weist eine höhere Viskosität (bei Temperaturen bis zu und unterhalb der Imprägnierungstemperatur von 290 °C) als herkömmliche im Handel erhältliche Pechimprägnierungsmittel wie z.B. A240 auf (siehe 11). Obwohl seine Viskosität in Bezug auf A240 hoch ist, ist sie noch immer niedrig genug (> 1,5 pa s) um unter Verwendung der vorliegenden Erfindung eine vollständige Infiltration in einen vorerhitzten Vorformling zu gestatten. Ein zusätzlicher Vorteil der verhältnismäßig hohen Viskosität von AR ist, daß sich das Pech beim Abkühlen auf Temperaturen von < 290 °C rasch verfestigt. Dies ermöglicht, die Durchlauf rate von Teilen durch das RTM-Verfahren zu erhöhen. Die Kurve der Viskosität in Bezug auf die Temperatur für AR fällt in das wie durch White und Gopalakrishnan (J. L. White und M. K. Gopalakrishnan, Extended Abstracts of 20^th Bienial Conference on Carbon, 1991, 184) identifizierte "Verarbeitungsfenster" (siehe 12). Zusätzlich zu seiner hohen Viskosität weist AR-Pech, wenn es oxidativ stabilisiert ist, einen hohen Kohlenstoffertrag auf (d.h., > 85 Gew.%). Diese Kombination von Eigenschaften ist es, was AR-Pech von anderen Pechimprägnierungsmitteln unterscheidet; die vorliegende Erfindung (d.h., RTM) verwendet diese einzigartige Kombination von Eigenschaften wirksam.
Dem Harz oder Pech kann eine Anzahl von Zusatzstoffen hinzugefügt werden, beispielsweise auf Phosphor, Bor oder Silizium beruhende Verbindungen. Diese Zusatzstoffe können Blähmittel, Kohlenstoff, Graphit, Keramik, Antioxidationsmittel, Vernetzungsmittel, Tone und Silikate beinhalten. Stickstoffgas ist ein typisches Blähmittel, andere Blähmittel können ebenfalls verwendet werden.
Die Vorrichtung und die Methode der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betrifft die Fähigkeit, einen Teil mit einem hochviskösen thermoplastischen Harz wie etwa Mesophasenpech zu infiltrieren. Beim Stand der Technik wurden typischerweise hitzehärtbare Harze mit niedriger Viskosität verwendet. Der Vorformling kann eine Porosität von 20 bis 70 % aufweisen. Die Methode einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfaßt das Anordnen eines porösen Vorformlings in einer Form, gefolgt von einem Evakuieren der Form vor der Injektion. Ein Vakuum kann auch während der Injektion auf die Form angewandt werden. Alternativ kann kein Vakuum verwendet werden. Der Vorformling kann vorerhitzt oder im Inneren der Form erhitzt werden. Dann wird geschmolzenes Pech in die Form injiziert, um den Vorformling zu verdichten. Dem Harz wird ein Abkühlen im Inneren der Form gestattet. Der imprägnierte Vorformling wird dann aus der Form entfernt.
Die Form kann mit einem Trennmittel behandelt sein, um die Entfernung des verdichteten Vorformlings zu erleichtern. Ein wirksames Trennmittel ist Release Coating 854, das von Huron Technologies, Inc. erhältlich ist. Andere im Handel erhältliche Trennmittel können ebenfalls wirksam sein.
BEISPIEL 3
Die in 2 beschriebene Spritzgießvorrichtung wurde verwendet. Die hydraulische Presse weist eine Klemmfähigkeit von 500 Tonnen auf. Der Akkumulator weist ein theoretisches Volumen von 847 Kubikzoll (13.880 cm³) auf, und das gemessene Volumen bei Verwendung von Harz beträgt etwa 830 Kubikzoll (13.601 cm³). Wenn er völlig mit AR-Pechharz gefüllt ist, enthält der Akkumulator etwa 37 Pfund (16, 8 kg) Harz. Die Temperatur im Extruder kann an sechs Stellen in der Extrudertrommel, im Extruderkopf, im Flußanpaßstück, im Akkumulatorkopf, im Akkumulator, im Ausstoßventil, im Ausstoßrohr, im Schmelzerohr, im Düsenblock, in der Düsenerweiterung und im Auslaufstutzen gemessen werden. Hitze wird dem Extruder durch eine elektrische Heizvorrichtung geliefert, und die Form wird durch einen Heißölkreislauf erhitzt. Die Extruderschnecke schafft einen Druck im Inneren der Harzschmelze, und der Druck wird im Akkumulator aufrechterhalten.
Der Teil wurde in einem Ofen auf 707 °F (350 °C) vorerhitzt und gerade vor der Infiltration in den Formhohlraum überführt. Das Halten des Teils während der Injektion über dem Schmelzpunkt gestattet, daß Pech durch den Vorformling hinweg fließt. Dies erfordert auch, daß Drücke für mehrere Minuten aufrechterhalten werden, um dem Pech zu gestatten, die kleinen Poren zu infiltrie ren. In diesem Beispiel wurde das Pech statt einer Verwendung des Akkumulators zum Einspritzen des geschmolzenen Harzes vielmehr direkt in die Form extrudiert, um die Experimente mit kleinerem Maßstab, die unter Verwendung des Killion-Extruders vorgenommen wurden, zu simulieren.
Die Infiltration von AR-Mesophasenpech wurde an einem porösen Vliesstoff-Vorformling, der davor einer zweihundertstündigen CVD-Verdichtung unterzogen wurde, durchgeführt.
Die anfänglichen Vorformling-Ausmaße und -Gewichte lauten wie folgt:
Dicke: 0,875 Zoll (2,2 cm), Innendurchmesser: 10,9 Zoll (27,7 cm), Außendurchmesser: 18,6 Zoll (47,2 cm), Gewicht: 7, 04 Pfund (3193 g) , Dichte: 0, 046 Pfund/Kubikzoll.
Temperaturprofil: Wilmington-Strukturspritzgießmaschine:
Das Harz wurde direkt in den vorerhitzten Teil extrudiert. Der Gegendruck auf den Akkumulator wurde verwendet, um den Formhohlraumdruck während der Infiltration aufrechtzuerhalten. Die Schnecke wurde mit 30 U/min gedreht, was einen anfänglichen Infiltrationsdruck von 1900 psi (13,1 MPa) erbrachte, der am Ende des Infiltrationszeitraums von fünfzehn Minuten auf 1680 psi (11,6 MPa) abnahm. An der Form wurde ein Entlüftungsan schluß mit einem Durchmesser von 0,125 Zoll (3,2 mm) verwendet. Die Heißölumlaufpumpe wurde auf 580 °F (304 °C) eingestellt. Das Endgewicht des Vorformlings betrug 9,25 Pfund (4196 g). Die Enddichte des mit AR-Pech imprägnierten Vorformlings betrug 0,061 Pfund/Kubikzoll (1,69 g (cm³).
BEISPIEL 4
Die in 2 und in Beispiel 3 beschriebene Vorrichtung wurde verwendet. AR-Mesophasenpech wurde in einen porösen Vliesstoff-Vorformling infiltriert, der vorher einem Zyklus einer CVD-Verdichtung unterzogen wurde.

Der poröse Vorformling ist für jene typisch, die als eine Flugzeugbremsscheibe verwendet werden, und wies die folgenden Abmessungen auf: Außendurchmesser: 19,90 Zoll (50,55 cm), Innendurchmesser: 12,32 Zoll (31,29 cm), und Dicke: 0,875 Zoll (2,22 cm). Das Temperaturprofil des Extruders war wie folgt: Temperaturprofil

Zufuhrabschnitt =
460°F (238°C) Trommel	576°F (302°C) Akkumulatorkopf
530°F (277°C) Trommel	576°F (302°C) Akkumulator
565°F (296°C) Trommel	572°F (300°C) Ausstoßventil
572°F (300°C) Trommel	572°F (300°C) Ausstoßrohr
572°F (300°C) Trommel	572°F (300°C) Schmelzerohr
576°F (302°C) Trommel	545°F (285°C) Düsenblock
576°F (302°C) Extruderkopf	545°F( 285°C) Düsenerweiterung
576°F (302°C) Flußanpaßstück	120°F (49°C) Auslaufstutzen

Die Formtemperatur betrug 560 °F (293 °C) und der Vorformling wurde auf 716 °F (380 °C) vorerhitzt. Die Extruderschnecke wurde mit 30 U/min gedreht und der Akkumulator mit einem Volumen von 830 Kubikzoll (13.604 cm³) wurde zu 47 % gefüllt. Der Akkumulator wurde in achtzehn bis zwanzig Sekunden entladen, wodurch die Form und der Vorformling gefüllt wurden. Zum Ende der Akkumulatorentladung hin wurde ein Maximaldruck von 2400 psi (16,6 MPa) erreicht. Wie in 6 gezeigt war an der Seite der Form ein Entlüftungsanschluß von 0,062 Zoll (1,6 mm) gelegen. Anfänglich wurden flüchtige Stoffe aus dem Entlüftungsanschluß abgestoßen, wonach geschmolzenes Harz folgte. Nach der Infiltration wurde der Teil zehn Minuten lang abgekühlt, um das Harz zu verfestigen, und aus der Form entfernt. Der Vorformling wies ein anfängliches Gewicht von 8,77 Pfund (3986 g) und eine anfängliche Dichte von 0,050 Pfund/Kubikzoll (1,39 g/cm3) auf. Nach der Infiltration betrug das Gewicht des Vorformlings 10,40 Pfund (4727 g) und die Dichte 0,062 Pfund/Kubikzoll (1,72 g/cm3). Der infiltrierte Vorformling wurde in zwei Hälften geschnitten. Der Vorformling erschien mit Ausnahme eines kleinen nichtinfiltrierten Bereichs nahe der Mitte des Vorformlings gut gefüllt.
BEISPIEL 5
Die Imprägnierung mehrerer Vorformlinge wurde unter Verwendung der in 2 und Beispiel 3 beschriebenen Vorrichtung gezeigt. Zwei Vliesstoff-Vorformlinge, die einem CVD-Zyklus unterzogen worden waren, wurden unter Verwendung von AR-Pech infiltriert. Die beiden Vorformlinge wurden aufeinander gestapelt, wobei kleine Stücke eines Hochtemperaturdichtungsmaterials (Kreise von einem Zoll (2,54 cm)) die Teile trennten, um dem Harz einen Fluß um die Vorformlinge zu gestatten, wie in 9 und 10 gezeigt ist. Zwischen den Vorformlingen und den Formoberflächen wurden Dichtungsstücke mit einer Dicke von 0,125 Zoll (3,2 mm) und zwischen den beiden Vorformlingen Dichtungen mit einer Dicke von 0,062 Zoll (1,6 mm) verwendet.
Die Extruderschnecke wurde mit 30 U/min gedreht und der Akkumulator zu 90 % voll geladen. Der Akkumulator wurde in etwa vierzig Sekunden entladen, wobei am Ende der Infiltration ein Maximaldruck von 2750 psi (18,96 MPa) erreicht wurde. Die infiltrierten Vorformlinge wurden in der Form zehn Minuten lang abgekühlt, um das geschmolzene Harz zu verfestigen. Die Gewichte und Dichten der Vorformlinge vor und nach der Infiltration lauteten wie folgt:
TABELLE 1
BEISPIEL 6
Die Imprägnierung eines Kohlenstoffschaums wie dem in einer US-Patentschrift (Hybridschaum-Patent) beschriebenen wurde unter Verwendung der in 2 und Beispiel 3 beschriebenen Vorrichtung gezeigt. Der Schaum-Vorformling wurde durch direktes Extrudieren des geschmolzenen Pechharzes in die den Vorformling enthaltene Form infiltriert. Die Rohdichte des Schaum-Vorformlings betrug vor der Infiltration 0,032 Pfund/Kubikzoll (0,89 g/cm³) und nach der Infiltration 0,057 Pfund/Kubikzoll (1,57 g/cm3).
BEISPIEL 7
Die Imprägnierung eines aus gehackten Kohlefasern auf PAN-Basis und karbonisiertem Mesophasenpech bestehenden Vorformlings wie dem in einer US-Patentschrift (luftgeblasenes Patent) beschriebenen wurde unter Verwendung der in 2 und Beispiel 3 beschriebenen Vorrichtung gezeigt.

Die Extruderbetriebsbedingungen lauteten wie folgt:

460°F (238°C) Trommel	580°F (304°C) Akkumulatorkopf
530°F (277°C) Trommel	580°F (304°C) Akkumulator
560°F (293°C) Trommel	572°F (300°C) Ausstoßventil
572°F (300°C) Trommel	576°F (302°C) Ausstoßrohr
576°F (302°C) Trommel	580°F (304°C) Schmelzerohr
580°F (304°C) Trommel	580°F (304°C) Düsenblock
580°F (304°C) Extruderkopf	565°F (296°C) Düsenerweiterung
580°F (304°C) Flußanpaßstück	120°F (49°C) Auslaufstutzen

Vor der Extrusion wurde das AR-Pechharz etwa vier Stunden lang bei 190 °F (88 °C) in einem Conair-Harzbelade-/-trocknungssystem getrocknet. Die Extruderschnecke wurde mit 30 U/min gedreht und der Akkumulator zu 54 % voll beladen. Der Akkumulator wurde in zwanzig bis zweiundzwanzig Sekunden entladen, wobei am Ende der Infiltration ein Injektionsdruck von 1800 psi (12,41 MPa) erreicht wurde.
Die Abmessungen des Vorformlings betrugen: Außendurchmesser: 18,42 Zoll (46,79 cm), Innendurchmesser: 9,79 Zoll (24,87 cm), und Dicke: 1,21 Zoll (3,07 cm). Das Ausgangsgewicht und die -dichte betrugen 9,49 Pfund (4305 g) bzw. 0,041 Pfund/Kubikzoll (1,14 g/cm3). Das Gewicht und die Dichte nach der RTM-Infiltration betrugen 13,28 Pfund (6023 g) bzw. 0,057 Pfund/Kubikzoll (1,59 g/cm3).
BEISPIEL 8
In allen vorhergehenden Beispielen zeigte die Zerlegung des Vorformlings nach der RTM-Infiltration einen kleinen nichtinfiltrierten Bereich (eine trockene Stelle) nahe der Mitte des ringförmigen Ringvorformlings. Es wird angenommen, daß diese trockene Stelle auftritt, da die Form dem Harz gestattet, den Vorformling an allen Seiten einzubetten und von den äußeren Oberflächen zur Mitte hin zu infiltrieren. Das hochvisköse Pech gestattet nicht, daß die Luft, die ursprünglich im Vorformling enthalten ist, durch das Harz zur Außenseite des Teils entweicht. Das folgende Beispiel zeigt die Verwendung einer Form, die die in 3 bekannt gemachte Gestaltung aufweist, um die trockene Stelle durch Steuern des Harzflusses um und durch den Vorformling zu beseitigen.

Die in 2 und Beispiel 3 beschriebene Vorrichtung wurde verwendet. Das Extrudertemperaturprofil lautete wie folgt:

Zufuhrabschnitt =
460°F (238°C) Trommel	580°F (304°C) Akkumulatorkopf
530°F (277°C) Trommel	580°F (304°C) Akkumulator
565°F (296°C) Trommel	565°F (296°C) Ausstoßventil
572°F (300°C) Trommel	580°F (304°C) Ausstoßrohr
576°F (302°C) Trommel	580°F (304°C) Schmelzerohr
580°F (304°C) Trommel	580°F (304°C) Düsenblock
580°F (304°C) Extruderkopf	565°F (296°C) Düsenerweiterung
580°F (304°C) Flußanpaßstück	120°F 49°C) Auslaufstutzen

Die Extruderschnecke wurde mit 20 U/min gedreht. Die Form wurde auf 450 °F (230 °C) erhitzt. Vor der Infiltration wurden die Vorformlinge in einem Heißluftschrank auf 752 °F (400 °C) vorerhitzt. Die Formoberflächen waren durch Abstandsstücke 0,040 Zoll (1,2 mm) geöffnet, um eine Entlüftung von Luft und flüchtigen Stoffen am Formaußendurchmesser zu gestatten. Der Akkumulator wurde zu 25 % voll gefüllt und dann in etwa zwanzig bis fünfundzwanzig Sekunden in den Formhohlraum entleert, um die Imprägnierung zu bewirken. Der infiltrierte Vorformling wurde dann fünfzehn Minuten lang in der Form abgekühlt, um das Harz zu verfestigen, und entfernt. Drei Vliesstoff-Vorformlinge, die einem CVD-Zyklus unterzogen worden waren, wurden unter diesen Bedingungen infiltriert. Der Innendurchmesser der Scheiben betrug 12,32 Zoll (31,20 cm) und der Außendurchmesser 19,90 Zoll. Die Daten vor und nach der Infiltration sind nachstehend gezeigt:
TABELLE 2
Die während des Füllens der Form erreichten Harzdrücke für Nr. 1, 2 und 3 betrugen etwa 1800 psi, 1400 psi bzw. 1900 psi. Jeder Teil wurde nach der Infiltration in sechzehn ungefähr gleiche Segmente geschnitten. Es wurden keine nichtinfiltrierten Bereiche gefunden. Ein Hauptvorteil der Verwendung der RTM-Infiltration gegenüber herkömmlichen Verdichtungstechnologien (z.B. CVD) ist, daß die offene Porosität im Inneren des Teils völlig durch das Harz gefüllt ist, statt durch eine dünne CVD-Schicht bedeckt zu sein. Wenn jedoch ein Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstoffendprodukt hergestellt wird, muß das Harz pyrolysiert werden, um jegliche nichtkohlenstoffhaltige Elemente zu entfernen. Wenn ein thermoplastisches Harz mit hohem Kohlenstoffertrag wie etwa AR-Pech zur Infiltration verwendet wird, sind für die Pyrolyse zwei Optionen verfügbar. Wenn der infiltrierte Teil einfach auf die Pyrolysetemperatur erhitzt werden würde, würde das Harz wieder schmelzen und aus dem Teil ausschwitzen. Eine Option ist, die Pyrolyse unter Verwendung eines heißen isostatischen Pressens (HIP) vorzunehmen. Bei dieser Methode muß der Teil in einem Behälter angeordnet werden und ist die Ausrüstung an sich teuer und erfordert viele Sicherheitsüberlegungen. Eine andere Option umfaßt das Erhitzen des harzinfiltrierten Teils in einer sauerstoffhaltigen Atmosphä re auf eine Temperatur unter dem Harzerweichungspunkt, typischerweise zwischen 302 °F (150 °C) und 464 °F (240 °C). Der Sauerstoff reagiert mit dem Harz, wodurch das Harz im Wesentlichen vernetzt wird. Während der Sauerstoff mit dem Harz reagiert, wird Sauerstoff in das Material adsorbiert und nimmt dessen Gewicht zu. Wenn das Harz eine geeignete Menge an Sauerstoff adsorbiert, kann der Teil ohne Schmelzen des Harzes und ohne Ausschwitzen jeglichen Harzes aus dem Inneren des Teils auf Pyrolysetemperaturen gebracht werden. Das Folgende ist ein Beispiel für ein erfolgreiches Stabilisieren und Karbonisieren einer RTM-infiltrierten Scheibe.
BEISPIEL 9
Sechs Vliesstoff-Flugzeugbremsscheiben-Vorformlinge wurden einem Zyklus einer CVD-Verdichtung unterzogen, wonach eine wie in Beispiel 7 und 8 beschriebene RTM-Infiltration folgte. Die Ergebnisse nach der Infiltration lauten wie folgt:
TABELLE 3
Im Anschluß an die Harzinfiltration wurden die Scheiben für einen Zeitraum von achtzehn Tagen in einem Heiß luftschrank bei 338 °F (170 °C) angeordnet. Der Grad der Stabilisierung wird durch Bestimmen des Prozentsatzes der Gewichtszunahme %OMG = [(S – R)/(R – P)] * 100 relativ zur Harzmenge im Teil gemessen,
wobei

P = Scheibengewicht vor RTM-Infiltration
R = Scheibengewicht nach RTM-Infiltration
S = Scheibengewicht nach Sauerstoffstabilisierung

Nach der Stabilisierung wurden die Scheiben in einer Stickstoffatmosphäre auf eine Temperatur von 1652 °F (900 °C) karbonisiert (pyrolysiert). Die Ergebnisse der Stabilisierung und der Karbonisierung lauten wie folgt:
TABELLE 4
Nach dem Karbonisieren auf eine Temperatur von 1652 °F (900 °C) zeigten die Scheiben während des Erhitzungsvorgangs keinerlei sichtbare Zeichen eines Ausschwitzens von Harz aus dem Scheibeninneren. Von den Scheiben wurden Proben genommen und unter Verwendung der Polarisationslichtmikroskopie betrachtet. Durch Verwendung dieser Technik kann die Mikrostruktur durch die gesamte Scheibendicke hindurch charakterisiert werden. Erneut waren über die mikroskopische Betrachtung keine Zeichen eines Pechschmelzens ersichtlich.
BEISPIEL 10
Zwei Scheiben, die einer CVD und einem Zyklus aus RTM, oxidativer Stabilisierung und Karbonisierung unterzogen wurden, wurden unter Verwendung von RTM ein zweites Mal infiltriert. Die Formeinstellungen, die Temperaturen und die Injektionsparameter waren mit Ausnahme einer Schußmasse von 17 % im vorliegenden Fall mit jenen in Beispiel 9 identisch. Die zwei Scheiben wiesen die folgenden geometrischen Abmessungen auf: Innendurchmesser: 12,37 Zoll (31,42 cm), Außendurchmesser: 19,85 Zoll (50,42 cm), und Dicke: 1,22 Zoll (3,10 cm). Die Ergebnisse für diese Teile sind in Tabelle 5 angeführt.
TABELLE 5 Ergebnisse für den zweiten Zyklus der Injektions-RTM-Formung
Wenn Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstoffe hergestellt werden, z.B. bei der Herstellung von Flugzeugbremsscheiben, erfordert der Verdichtungsvorgang typischerweise drei bis fünf Infiltrationszyklen unter Verwendung entweder von CVD oder der Harzinfiltration und benötigt er zur Vervollständigung bis zu mehrere Monate. Ein Nachteil der Verdichtung unter Verwendung wiederholter CVD-Infiltrationszyklen ist, daß sich der pyrolytische Kohlenstoff als eine Schicht an den Oberflächen der verfügbaren offenen Porosität ablagert. Während des Infiltrationszyklus neigen die Oberflächenporen zu einem Abschließen. Als Ergebnis werden die Scheiben aus dem CVD-Ofen entfernt und die Oberflächen maschinell bearbeitet, um die innere Porosität zu öffnen. Die Wirksamkeit des Zwischenbearbeitungsschritts nimmt mit der Zunahme der CVD-Infiltrationen ab ...
BEISPIEL 11
Elf Vliesstoff-Vorformlinge wurden durch einen Zyklus einer CVD-Verdichtung, einen Zyklus einer wie in Beispiel 9 beschriebenen RTM-Infiltration und Karbonisierung und danach einen zusätzlichen CVD-Verdichtungszyklus bearbeitet. Die Scheibendichten vor RTM, nach der Karbonisierung und nach dem abschließenden CVD-Zyklus sind in Tabelle 6 gezeigt.
TABELLE 6
Während der Herstellung der Vliesstoff-Vorformlinge wurden Segmente des Stoffs unter Verwendung herkömmlicher Textilverarbeitungsverfahren zusammen nadelgestanzt. Der Nadelstanzvorgang schafft eine eher große Porosität durch die Dicke des Vorformlings, die 100 bis 200 μm breit und mehrere hundert μm tief ist. Das herkömmliche Verfahren, das zum Verdichten dieser Vliesstoff-Vorformlinge zur Flugzeugbremsenanwendungen verwendet wird, ist CVD. Jeder CVD-Zyklus lagert eine Schicht an pyrolytischem Kohlenstoff mit einer Dicke zwischen zwei und zehn μm an den Oberflächen der gesamten verfügbaren offenen Porosität ab: Die Fasern im Inneren der Stoffschichten befinden sich sehr eng aneinander (ein bis fünfzehn μm getrennt), und diese Bereiche verdichten während des anfänglichen CVD-Zyklus sehr wirksam. Die durch die Nadelstanzung geschaffene große Porosität verdichtet jedoch nicht wirksam. Die Dichte des faserigen Vliesstoff-Vorformlings vor der Verdichtung beträgt typischerweise 0,018 Pfund/Kubikzoll (0,50 g/cm3). Die in Tabelle 7 gezeigten Daten sind eine Auflistung typischer Dichten, die nach einem, zwei, drei und vier CVD-Zyklen für Scheiben mit der gleichen Größe wie die in Tabelle 6 angeführten gemessen wurden.
TABELLE 7
Wie in Tabelle 7 gezeigt wird die Dichtenzunahme mit jedem aufeinanderfolgenden CVD-Zyklus geringer. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Stoffbereiche völlig mit der CVD gefüllt werden und die größere Porosität mit Schichten der CVD bedeckt ist, aber niemals völlig gefüllt ist. Das RTM-Verfahren füllt die gesamte verfügbare offene Porosität einschließlich der großen Poren, die durch das Nadelstanzen geschaffen wurden, vollständig mit einem Kohlenstoffvorläuferharz. Wenn das Harz karbonisiert wird, nimmt die Dichte des Koks (karbonisierten Pechs) zu und werden flüchtige Stoffe mit einem entsprechenden Gewichtsverlust abgegeben (Kohlenstoffertrag von etwa 85 %, wie in Beispiel 9 gezeigt). Die Zunahme der Dichte und der Gewichtsverlust führen zu einer gesamten Abnahme des Volumens, was eine innere Porosität im Teil schafft. Obwohl das karbonisierte Pech die durch das Nadelstanzen geschaffene große Porosität nicht vollständig füllt, verringert es das gesamte offene Porenvolumen, während es einen zusätzlichen inneren Oberflächenbereich für eine anschließende CVD-Ablagerung schafft. Wie durch die Daten in Tabelle 6 gezeigt können deutlich höhere Enddichten erreicht werden, wenn diese Vliesstoff-Vorformlinge anstelle einer reinen CVD-Verdichtung mit einer Kombination aus RTM und CVD verdichtet werden.
Nachdem die Vorformlinge mit dem Mesophasenpechharz infiltriert sind, können sie einer Folgeverarbeitung unterzogen werden, um das organische Harz in Kohlenstoff umzuwandeln, der einen Teil der Kohlenstoffmatrix in einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial bildet. Die infiltrierten Scheiben werden einem Verfahren unterzogen, das allgemein als oxidative Stabilisierung bezeichnet wird. Das Pech ist ein Thermoplast, und bei einem Erhitzen auf eine Temperatur, die zum Karbonisieren des Materials ausreichend ist, würde das Harz wieder schmelzen, blähen und schäumen. Die Teile werden in einem Heißluftschrank bei einer Temperatur zwischen 150 und 240 °C, typischerweise 170 °C, angeordnet. Der Sauerstoff reagiert mit dem Pech und vernetzt das Harz und wandelt es im Wesentlichen in einen hitzehärtbaren Kunststoff um. Dieser Vorgang wird bei der Herstellung von Kohlefasern auf Pechbasis verwendet. Die Vollendung des Vorgangs wird als Massezunahme gemessen, da der Sauerstoff mit dem Pech reagiert und adsorbiert wird, wodurch das Gesamtgewicht erhöht wird. Wenn nur die Gewichtszunahme des Pechs gemessen wird (späteres Teilgewicht – früheres Teilgewicht), ist ein Sauerstoff-Massezunahmeausmaß von 8,5 % ausreichend. Teile mit OMG(Sauerstoff-Massezunahme)-Ausmaßen zwischen 8 % und 12 % wurden erfolgreich karbonisiert.
Nach der Stabilisierung kann der Teil durch Erhitzen in einem Ofen mit inerter Atmosphäre auf eine Temperatur über 650 °C (1202 °F) karbonisiert werden. Die Karbonisierung wird typischerweise bei 900 °C (1652 °F) durchgeführt. Nach der Karbonisierung kann der Teil vor einer weiteren Verarbeitung hitzebehandelt (graphitiert) werden, doch ist dieser Schritt nicht notwendigerweise eine Bedingung. Typische Hitzebehandlungstemperaturen liegen in einem Bereich von 1600 bis 2500 °C (2912 bis 4532 °F), wobei 1800 °C (3272 °F) bevorzugt sind. Der Teil kann dann unter Verwendung entweder von CVD oder von RTM mit hochviskösen Harzen mit hohem Verkohlungsertrag wie in den obigen Beispielen gezeigt weiter verdichtet werden.
Es versteht sich, daß die obige Beschreibung und die hierin gezeigten besonderen Ausführungsformen nur die beste Weise der Erfindung und ihre Prinzipien veranschaulichen und durch Fachleute leicht Abwandlungen und Zusätze zur Vorrichtung und zur Methode erfolgen können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, die sich daher als nur durch den Umfang der beiliegenden Ansprüche beschränkt versteht.

Claims

Harz- oder Pech-Schnellspritzpressvorrichtung, umfassend ein Mittel zum Schmelzen und Zuführen (4) eines Harzes oder Pechs; eine Form (10), die so eingerichtet ist, dass Harz oder Pech vom Schmelz- und Zufuhrmittel (4) zur Form (10) zugeführt wird, wobei die Form (10) ein Vorsprungsmittel (20, 21, 30, 31) zum Hervorrufen eines Druckgradienten und eines Flusses des Harzes oder Pechs von einem inneren Bereich der Form (10) zu einem äußeren Bereich der Form (10) beinhaltet; und ein an der Form angeordnetes Mittel zum Beschränken (12) der Form während der Injektion des Harzes oder Pechs in die Form (10), dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsprungsmittel (20, 21, 30, 31) eines aus einem verjüngten (30, 31) Formhohlraum (29) und einem Formhohlraum (19) mit einem sich radial erstreckenden Vorsprung (20, 21) am äußeren Bereich des Formhohlraums (19) umfasst.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Akkumulator (8), der zwischen dem Schmelz- und Zufuhrmittel (4) und der Form (10) angeordnet ist.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Akkumulator (8) ein hydraulisch betätigter Kolbenakkumulator (8) ist.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Schmelz- und Zufuhrmittel (4) eines aus einem Einschneckenextruder, einem Doppelschneckenextruder, einem entlüfteten Doppelschneckenextruder, und einem Schneckenextruder mit oszillierender Schnecke ist.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Form (10) Folgendes umfasst: eine obere Hälfte (42); eine untere Hälfte (41), die der oberen Hälfte (42) gegenüberliegt, so dass die obere Hälfte (42) und die untere Hälfte (41) einen Formhohlraum (35) bilden; zumindest eine Angussöffnung (36), die in der oberen Hälfte (42) oder der unteren Hälfte (41) angeordnet ist; ein Ventil, wobei das Ventil Harz oder Pech in die Angussöffnung (36) in der oberen Hälfte (42) oder der unteren Hälfte (41) einlassen kann; und eine Anordnung (39, 44) für eines aus einem Entlüften und einem Bereitstellen eines Vakuums für die Form (10).
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Vorsprungsmittel (20, 21, 30, 31) einen verjüngten (30, 31) Formhohlraum (29) umfasst.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressvorrichtung nach Anspruch 6, wobei das Vorsprungsmittel (20, 21, 30, 31) zumindest eines aus einem Entlüftungsanschluss (38a, 38b, 38c, 38d; 43a, 44b, 44c, 44d) und einem Vakuumanschluss aufweist.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Form ferner einen äußeren Entlüftungsanschluss (39, 44) umfasst, der zu Entlüftungsanschlüssen (38a, 38b, 38c, 38d; 43a, 44b, 44c, 44d) geleitet ist, die mit dem Vorsprungsmittel (20, 21, 30, 31) verbunden sind.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren für eine Form, Folgendes umfassend: Anordnen eines porösen Vorformlings (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56) in einer Form (10), wobei der Vorformling eine Temperatur aufweist, die über einem Schmelzpunkt eines in den Vorformling zu übertragenden Harzes oder Pechs liegt, und ein Mittel zum Beschränken (12) der Form es der Form (10) ermöglicht, ihre Konfiguration zu behalten; Injizieren eines geschmolzenen Harzes oder Pechs mit hohem Schmelzpunkt und hoher Viskosität in die Form (10), um über einen Druckgradienten in der Form (10) eine gleichförmige Imprägnierung des Vorformlings (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56) hervorzurufen; Gestatten eines Abkühlens des Harzes unter den Schmelzpunkt; und Entfernen des imprägnierten Vorformlings (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56) aus der Form (10); dadurch gekennzeichnet, dass der Druckgradient durch (A) einen Hohlraum (29) in der Form (10) , der eine verjüngte obere Wand (31) und eine verjüngte untere Wand (30) aufweist, wobei eine Richtung der Verjüngung der oberen Wand (31) und der unteren Wand (30) einwärts in den Hohlraum (29) verläuft, während sich der Hohlraum einem Rand der Form (10) annähert, um den Druckgradienten zu erzeugen; oder (B) einen Vorsprung (20, 21) im Formhohlraum (29, 19) erzeugt wird.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei die Form (10) Folgendes umfasst: eine obere Hälfte (42); eine untere Hälfte (41), die der oberen Hälfte (42) gegenüberliegt, so dass die obere Hälfte (42) und die untere Hälfte (41) einen Formhohlraum (35) bilden; zumindest eine Angussöffnung (36), die in der oberen Hälfte (42) oder der unteren Hälfte (41) angeordnet ist; ein Ventil, wobei das Ventil Harz oder Pech in die Angussöffnung (36) einlassen kann; und eine Anordnung (39, 44), um der Form (10) eine Entlüftung und/oder ein Vakuum bereitzustellen.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei der Vorformling (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56) eines aus einem faserigen Vorformling, einem Kohlefaser-Vorformling, einem Vliesstoff-Vorformling, einem Vorformling aus ungeordneten Fasern mit einem Bindemittel, einem formfest gemachten Vorformling und einem Schaum-Vorformling ist.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei der Vorformling (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56) ein poröser Kohlenstoff-Formteil ist.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei der Vorformling (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56) auf eine Temperatur zwischen 200 und 425 °C erhitzt wird.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei die Form (10) auf eine Temperatur zwischen 138 und 310 °C erhitzt wird.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei es sich beim Harz oder Pech um synthetisches Pech, Kohlenteerpech, Erdölpech, Mesophasenpech, hitzehärtbares Harz mit hohem Verkohlungsertrag oder Kombinationen davon handelt.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei mehrere Vorformlinge (47, 48; 55, 56) in einer einzelnen Form (10) angeordnet werden.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, ferner Folgendes umfassend: Stabilisieren des imprägnierten Vorformlings (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56) durch Erhitzen des imprägnierten Vorformlings unter Anwesenheit eines sauerstoffhaltigen Gases bei einer Temperatur von 150 bis 240 °C.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend eine Karbonisierung des oxidierten imprägnierten Vorformlings (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56).
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend ein Erhitzen auf eine Temperatur von etwa 1600 bis 2500 °C, um den karbonisierten imprägnierten Vorformling (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56) zu graphitieren.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 19, wobei der graphitierte Vorformling (1, 18, 28, 47, 48, 55, 56) ferner unter Verwendung entweder einer chemischen Gasphasenabscheidung/Gasphaseninfiltration oder einer Harzspritzpressung verdichtet wird.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei der Form (10) vor dem Injizieren des geschmolzenen Harzes oder Pechs ein Vakuum bereitgestellt wird.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei die Form (10) einen Hohlraum (29) umfasst, der eine verjüngte obere Wand (31) und eine verjüngte untere Wand (30) aufweist, wobei eine Richtung der Verjüngung der oberen Wand (31) und der unteren Wand (30) einwärts in den Hohlraum (29) verläuft, während sich der Hohlraum einem Rand der Form (10) annähert.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressverfahren nach Anspruch 9, wobei die Form (10) mit einem Vorsprung (20, 21) in den Formhohlraum (29, 19) gestaltet ist, um den Druckgradienten zu erzeugen.
Harz- oder Pech-Schnellspritzpressvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Vorsprungsmittel (20, 21, 30, 31) einen Formhohlraum (19) mit einem sich radial erstreckenden Vorsprung (20, 21) am äußeren Bereich des Formhohlraums (19) umfasst.