DE60205733T2

DE60205733T2 - Ringförmiger vorkörper für bremsen aus kohlenstofffasern und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60205733T2
Application number: DE60205733T
Authority: DE
Inventors: C. Mark JAMES; Neil Murdie; B. Terence WALKER
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2001-04-09
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2022-04-09
Also published as: EP1377759B1; DE60205733D1; ATE302914T1; EP1377759A1; US20020170787A1; JP4248879B2; US6691393B2; JP2004530844A; WO2002081942A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft Fasersubstrate, die für die Herstellung von Kohlenstofffaser/Kohlenstoffmatrix-Verbundwerkstoffen verwendet werden können, und daraus hergestellte Kohlenstofffaser/Kohlenstoffmatrix-Verbundwerkstoffe. Typische Beispiele für solche Verbundwerkstoffe sind Bremsscheiben für Luftfahrzeuge sowie Hochleistungsbremsscheiben für Kraftfahrzeuge, die durch Ablagern von Kohlenstoffmatrices auf erfindungsgemäßen Kohlenstofffasersubstraten und nachfolgendes Karbonisieren der Kombinationen zur Bereitstellung von Kohlenstoffmatrices, die mit Kohlenstofffasern verstärkt sind, hergestellt werden.
STAND DER TECHNIK
Über die Jahre hinweg sind in der Bremsscheibentechnik zahlreiche Fortschritte erzielt worden.
US 5,388,320 beschreibt die Herstellung karbonisierbarer genadelter Fadenstrukturen (in der Regel ringförmiger Vorkörper), die aus Schichten unidirektionaler Fäden und Stapelfasern bestehen. Diese Strukturen können für die Herstellung von geformten Gegenständen (in der Regel Bremsscheiben) aus mit Kohlenstofffasern verstärktem Kohlenstoff verwendet werden. Wie in Spalte 7 des Patents gelehrt wird, werden einige der Bogensegmente, die für den Aufbau der Strukturen verwendet werden, auf eine solche Weise geschnitten, dass die meisten Fäden im Wesentlichen radial zum letztendlichen Ring verlaufen, während andere so geschnitten werden, dass die meisten Fäden im Wesentlichen als Sehnen zum Ring verlaufen. Die erstgenannten Segmente weisen in radialer Richtung und die letztgenannten Segmente in Sehnenrichtung eine größere Formbeständigkeit auf.
US 5,546,880 beschreibt Fasersubstrate für die Produktion von mit Kohlenstofffasern verstärkten Verbundwerkstoffen, die vielschichtige, ringförmige, geformte Faserstrukturen umfassen, die sich für die Verwendung bei der Herstellung von Reibscheiben aus multidirektionalem Gewebe eignen, das heißt aus Gewebe mit Fäden oder Fasern, die in mindestens zwei Richtungen verlaufen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei Reibbelägen aus Kohlenstofffaser-Verbundwerkstoffen die Ausrichtung der Faser an der Reiboberfläche eine Hauptrolle beim Verschleißverhalten des Materials spielt. Wenn Fasern von entgegengesetzter Richtung auf den Reiboberflächen gegeneinander gleiten, findet mechanischer Verschleiß statt, und die Faserbündel werden von der Reiboberfläche gerissen. Dieses Herausreißen von Fasern führt zu einem Zusammenbruch der umgebenden Matrix aus Kohlenstoff. Das Herausreißen von Fasern geschieht in immer mehr Bereichen auf der Reiboberfläche, und die diese Fasern umgebende Matrix bricht ebenfalls zusammen und füllt die entstandenen Hohlräume. Dies führt zu einer Verringerung der Gesamtdicke des Reibungsmaterials.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung befasst sich mit dem Bedürfnis sowohl der Bremsenhersteller als auch ihrer Kunden, indem sie (über eine Verringerung der Verschleißrate) die Lebens dauer von Reibungsmaterialien aus Kohlenstofffaser erhöht und dadurch die Betriebskosten verringert.
Verfahren für die Herstellung ringförmiger Vorkörper aus oxidierten Polyacrylnitril-Endlosfaserspinnkabeln werden in US 5,388,320 beschrieben, deren gesamter Inhalt durch Verweis darauf ausdrücklich als hier mit aufgenommen gilt. Bei der neuen Vorkörper-Technologie der vorliegenden Erfindung sind die Fasern im Vorkörper in radialer Richtung ausgerichtet. Das heißt, dass die Endlosfasern hauptsächlich vom Innendurchmesser zum Außendurchmesser der ringförmigen Scheibe verlaufen. Durch das derartige Ausrichten der Fasern wird das Herausreißen von Fasern minimiert, wodurch der mechanische Verschleiß reduziert wird. Tests haben gezeigt, dass die Verschleißraten durch Verwendung dieser Vorkörper-Faserarchitektur um bis zu 40 Prozent reduziert werden können, während die Festigkeit und die Integrität der Scheibe beibehalten wird.
Diese Erfindung stellt einen Vorkörper für Bremsen aus Kohlenstofffasern bereit, der eine ringförmige Scheibe umfasst, die aus Bogensegmenten aus Gewebe aufgebaut ist, die aus 90 bis 70 Gew.-% Endlosfasern und 10 bis 30 Gew.-% Stapelfasern bestehen. Eine typische ringförmige Scheibe dieser Erfindung kann beispielsweise aus 85 Gew.-% Endlosfasern und 15 Gew.-% Stapelfasern bestehen. Vorzugsweise handelt es sich sowohl bei den Endlosfasern als auch bei den Stapelfasern um oxidierte Polyacrylnitril-Fasern. Die Bogensegmente aus Gewebe sind in abwechselnden Schichten angeordnet, bei denen Segmente mit Endlosfasern in einem Winkel von +45° in Bezug auf die Segmentbogen-Halbierende und Segmente mit Endlosfasern in einem Winkel von –45° in Bezug auf die Segmentbogen-Halbierende in abwechselnden Schichten angeordnet sind.
Diese Erfindung stellt ein Verfahren für die Herstellung eines ringförmigen Verbundvorkörpers bereit. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: a) Bereitstellen eines Nadelvlieses, das einen Hauptanteil aus unidirektionalem Endlosfaserspinnkabel und einen geringen Anteil an Stapelfaserflor umfasst, b) Herstellen mehrerer Segmente aus diesem Gewebe, die den Außendurchmesser und den Innendurchmesser des aus dem Gewebe herzustellenden Vorkörpers aufweisen, c) Anordnen der Segmente in einem vielschichtigen Zwischenprodukt, dessen Gewicht und Abmessung so berechnet ist, dass eine für die Anwendung gewünschte Dichte des Vorkörpers bereitgestellt wird, d) Erwärmen des vielschichtigen Zwischenprodukts auf eine Temperatur von über 1500°C in einer inerten Atmosphäre für eine Zeitdauer, die ausreicht, um die Fasern in Kohlenstoff umzuwandeln, und e) Verdichten des karbonisierten Produkts durch Kohlenstoffablagerung bis zur gewünschten Dichte des Vorkörpers. Die Segmente können in Schritt c) in abwechselnden Schichten angeordnet werden, in denen ihre Endlosfasern abwechselnd in einem Winkel von +45 Grad in Bezug zur Segmentbogen-Halbierenden und in einem Winkel von –45 Grad in Bezug zur Segmentbogen-Halbierenden ausgerichtet sind. Das karbonisierte Produkt kann in Schritt e) unter Verwendung von CVI/CVD (Chemical Vapor Infiltration/Chemical Vapor Deposition) verdichtet werden. Eine typische Dichte für eine mit diesem Verfahren hergestellte fertige Scheibe liegt im Bereich von 1,70–1,80 g/cm³.
Diese Erfindung ermöglicht eine Verringerung des Verschleißes bei einer ringförmigen Bremsscheibe.
Und schließlich stellt diese Erfindung eine geformte Fasergewebestruktur mit einer ringförmigen Scheibenkonfiguration bereit, die aus mehreren aufeinander gestapelten Schichten aus aneinander anliegenden Bogensegmenten aus Gewebe gebildet ist, die aus 90 bis 70 Gew.-% Endlosfasern und 10 bis 30 Gew.-% Stapelfasern bestehen, wobei die Bogensegmentschichten aus Gewebe durch zumindest einen Teil der Stapelfasern miteinander verbunden sind. Die Bogensegmente aus Gewebe sind in abwechselnden Schichten angeordnet, in denen ihre Endlosfasern abwechselnd in einem Winkel von +45 Grad in Bezug zur Segmentbogen-Halbierenden und in einem Winkel von –45 Grad in Bezug zur Segmentbogen-Halbierenden ausgerichtet sind.
Die Implementierung dieser neuen Vorkörper-Faserarchitektur (+/–45°) macht es für den Bremsenhersteller möglich, weniger Reibbeläge herzustellen und bestehenden Anforderungen für den Luftverkehr gerecht zu werden. Außerdem wird der Bremsenhersteller dazu in der Lage sein, ohne weitere Investitionen einem steigenden Bedarf gerecht zu werden, indem er die durch diese Technologie freiwerdende Produktionsüberkapazität nutzt.
Zusätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung besser ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die zu dieser Anmeldung gehörenden Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und schränken den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht ein.
1B ist eine Draufsicht auf eine Gewebesegmentausrichtung, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. 1C ist eine Draufsicht auf Gewebesegmentausrichtungen des Standes der Technik.
2 stellt einen Vorkörper der vorliegenden Erfindung in einer schematischen Perspektivansicht dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1B stellt ein Vorkörper-Gewebesegment dar, das gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, während 1C Vorkörpersegmente des Standes der Technik wie die in 5 von US 5,388,320 gezeigten darstellt. In all diesen Figuren stellen die Felder der horizontalen Linien Endlosfasern dar. In 1B sind Gewebesegmente abgebildet, die so ausgerichtet sind, dass ihre Radien in Bezug auf die Richtung der Endlosfasern im Gewebe einen Winkel von 45° beschreiben. 1C, die den Stand der Technik darstellt, enthält ein Gewebesegment, dessen Endlosfasern in radialer Richtung und parallel zur Segmentbogen-Halbierenden ausgerichtet sind, sowie ein Gewebesegment, das so ausgerichtet ist, dass sein Radius einen Winkel von 90° in Bezug auf die Richtung der Endlosfasern im Gewebe beschreibt. Wie in 6 von US 5,388,320 gezeigt sind Vorkörper herkömmlicherweise aus beiden Arten von Gewebesegmenten aufgebaut. Durch solche Konstruktionen entstehen Verbundwerkstoffe, die einem größeren Reibungsverschleiß unterliegen als ähnliche Verbundwerk stoffe, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sind.
DAS GEWEBE
Der folgende Prozess kann für das Herstellen von Gewebesegmenten gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ein kardierter Flor wird quergetäfelt, um ein Soll-Flächengewicht zu erzielen, und dann genadelt, um ein Stapelfaserflorgewebe zu bilden. Der Stapelfaserflor könnte alternativ dazu durch Luftlegen der Stapelfasern gebildet werden. Getrennt davon werden unter Verwendung eines Gatters große Endlosspinnkabel angelegt, um ein Tuch mit dem Soll-Flächengewicht zu bilden. Das Tuch wird auf einem Webstuhl für schmale Gewebestreifen verarbeitet, um dem Endlosfasergewebe Integrität zu verleihen. Dieses Gewebe ist als Endlosspinnkabelgewebe bekannt. Dann wird der Stapelfaserflor in das Endlosspinnkabelgewebe genadelt, um ein so genanntes Duplex-Gewebe zu bilden. Die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendeten Segmente mit +45° und –45° werden aus dem Duplex-Gewebe geschnitten.
Das Nadelvlies enthält auch einen geringen, aber maßgeblichen prozentualen Anteil (in der Regel 10 bis 30 Gew.-%) Stapelfasern, der für die strukturelle Integrität nach dem Nadeln sorgt. Mit einem Gewebe aus beispielsweise 85 Gew.-% unidirektionaler Endlosfaser und 15 Gew.-% Stapelfaser lassen sich hervorragende Ergebnisse erzielen. Das Gewebe besteht im Allgemeinen aus einem kardierten, genadelten Spinnfaserflor, der auf eine Schicht aus genadeltem Endlosspinnkabel genadelt worden ist. Das dabei entstehende Gewebe ist ein so genanntes Duplex-Gewebe.
Die für die Herstellung dieses Vlieses verwendete Faser muss von kohlenstoffhaltiger Art sein. Oxidierte Polyacrylnitril-Faser (OPAN) wird besonders bevorzugt, es können aber auch andere konventionelle Fasern verwendet werden, zu denen ausgehärtete Pechfasern, nicht oxidierte Polyacrylnitril-Fasern, Kohlenstofffasern, Graphitfasern, Keramikfasern und Mischungen daraus gehören. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Faser als Strang aus Endlosfäden verwendet, der allgemein als "Spinnkabel" bezeichnet wird. Die bei dieser Erfindung verwendete Stapelfaser kann unter den gleichen Faserarten ausgewählt werden wie die Endlosfaser. Sie muss nicht unbedingt die gleiche sein wie bei der Endlosfaser. Es wird jedoch auch bei der Stapelfaser die OPAN-Faser bevorzugt.
Zur Implementierung der vorliegenden Erfindung werden Segmente mit einem Segmentbogen von beispielsweise 68 Grad aus dem Gewebetuch geschnitten, wobei das Segment den Außendurchmesser und den Innendurchmesser des herzustellenden Vorkörpers aufweist. Bögen von 68 Grad werden bevorzugt, da diese Bogenabmessung die Überlappung des stumpfen Stoßes in den Teilen, die hergestellt werden, minimiert. Es können jedoch bei Bedarf andere Bogenabmessungen verwendet werden.
Die Innen- und die Außendurchmesser der Bogensegmente werden in Abhängigkeit vom herzustellenden Vorkörper ausgewählt. So können beispielsweise Rotorvorkörper aus Segmenten mit einem Innenradius von 5,5 Zoll und einem Außenradius von 10,5 Zoll hergestellt werden. Statorvorkörper können aus Segmenten mit einem Innenradius von 4,875 Zoll und einem Außenradius von 9,75 Zoll hergestellt werden. Fachleuten wird es nicht schwer fallen, die geeigneten Innen- und Außendurchmesser für die spezielle herzustellende Vorkörperart zu bestimmen.
Diese Segmente werden dann in einem spiralförmigen Verlegemuster zu dem festgelegten Gewicht und der festgelegten Abmessung, die von der Solldichte des Vorkörpers für die Anwendung abhängig ist, miteinander vernadelt. Die Gewebeschichten werden durch die Stapelfasern fest zusammengefügt, die von den Nadeln in z-Richtung transportiert werden.
NADELN
Das Nadeln kann mit einer ringförmigen Nadelmaschine wie der durchgeführt werden, die in US 5,388,320 beschrieben ist, deren gesamter Inhalt durch Verweis darauf ausdrücklich als hier mit aufgenommen gilt. Ringförmiges Nadeln ist der Prozess des kontinuierlichen Anordnens einzelner Gewebesegmente (jeweils eines) auf einem rotierenden Ring aus geschlossenzelligem Polymerschaumstoff, der den Innendurchmesser und den Außendurchmesser der gewünschten Ringform aufweist, zu der die Segmente vernadelt werden. Ein solcher Ring weist beispielsweise einen Innendurchmesser von 10 Zoll und einen Außendurchmesser von 20 Zoll auf. Fachleuten wird jedoch klar sein, dass solche Abmessungen in Abhängigkeit von der herzustellenden Form in großem Ausmaß variiert werden können. Die Segmente werden an ihren Enden zusammengelegt und in einem spiralförmigen Verlegemuster zu einem gewünschten Gewicht und einer gewünschten Abmessung miteinander vernadelt.
Die Schaumstoffringbasis stellt die starre Struktur bereit, auf die die ersten paar Schichten von Segmenten genadelt werden. Die Nadeln dringen durch die Gewebeschichten in den Schaumstoffring. Diese Segmentschichten werden mechanisch mit dem Schaumstoffring verbunden, wenn Fasern in z-Richtung (hauptsächlich die Stapelfasern) durch die Gewebeschichten in den Schaumstoff transportiert werden. Dies sorgt für die Integrität, die bei der Herstellung der Struktur für das Zusammensetzen der nachfolgenden Schichten von Segmenten benötigt wird. Beim Aufbauen der Schichten von Segmenten werden die Segmente nicht mehr in den Schaumstoffring genadelt, sondern in die vorhergehenden Schichten von Segmenten, indem Faserbündel zwischen den Gewebeschichten auf mechanische Weise fest zusammengefügt werden.
VORKÖRPER
Durch diesen Schichtnadelprozess wird ein dicker Ring gebildet, der als Vorkörper bezeichnet wird. Während der Vorkörper dicker wird, wird er abgesenkt, damit von Schicht zu Schicht die gleiche Nadeleindringtiefe beibehalten wird. Der entstehende Vorkörper besteht aus vielen Schichten von Segmenten, die im Verlauf des Nadelprozesses mechanisch miteinander verbunden werden. Typische Vorkörper bestehen aus 15 bis 35 Schichten. Fachleuten wird jedoch klar sein, dass in Abhängigkeit von der herzustellenden Form weniger oder wesentlich mehr Schichten verwendet werden können. Der Schaumstoffring wird am Ende des Vorformprozesses entfernt. In 2 ist ein resultierender Vorkörper (20) abgebildet, der aus mehreren Segmenten (21) besteht, von denen jedes eine Dicke (28) aufweist. Die Segmente sind in 2 durch das radiale Spinnkabel (25) gekennzeichnet. Sie sind durch Stapelfasern (26), die in z-Richtung (das heißt senkrecht zu den Ebenen der Segmente) genadelt worden sind, mit den Segmentschichten darüber und darunter verbunden.
Die Vorkörperarchitektur dieser Erfindung stellt Vorkörper bereit, die aus abwechselnden Schichten von Gewebesegmenten hergestellt werden, die in Bezug auf die von dem unidirektionalen Spinnkabel abgeleiteten Endlosfasern – innerhalb eines vorgegebenen Bereiches – abgewinkelt sind. 1B stellt Segmente mit auf +45 Grad ausgerichteten Fasern und auf –45 Grad ausgerichteten Fasern dar. Die gemäß dieser Erfindung verwendeten Segmente mit auf –45 Grad ausgerichteten Fasern können durch ein Verändern des Ausstanzwinkels wie in 1B gezeigt oder einfach durch Umkehren von Segmenten mit +45 Grad hergestellt werden.
Die Vorkörperarchitektur wird unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Segmentarten hergestellt. Bei der ersten Segmentart verlaufen die unidirektionalen Spinnkabelfasern in einem Winkel von +45 Grad zur Segmentbogen-Halbierenden, und bei der zweiten Segmentart verlaufen die unidirektionalen Spinnkabelfasern in einem Winkel von –45 Grad zur Segmentbogen-Halbierenden. Die Verlegung des Segments für diesen Vorkörper entspricht einer Ausrichtung von +/–45 Grad. Dieses Verlegemuster wird während der gesamten Schichtenbildung des Vorkörpers wiederholt. Diese Vorkörperarchitektur stellt eine stärker bevorzugte Vorspannung der einzelnen Schichten bereit und verbessert die mechanischen Gesamteigenschaften der Scheibe aus Verbundwerkstoff.
Die aus dieser Architektur hergestellten Vorkörper werden bei einer sehr hohen Temperatur, beispielsweise bei über 1500°C, in einer inerten Atmosphäre wärmebehandelt, um die Fasern in Kohlenstoff umzuwandeln. Die genaue Temperatur und Zeitdauer lassen sich stark variieren, vorausgesetzt, es erfolgt eine Karbonisierung der Fasern im Vorkörper. Die Vorkörper werden dann unter Verwendung konventioneller Prozesse verdichtet, damit Kohlenstoffmatrices in den Vorkörper-Fasersubstraten abgelagert werden.
VERDICHTUNG
Das Ablagern von Kohlenstoff auf dem Substrat geschieht durch In-situ-Aufspalten eines kohlenstoffhaltigen Gases. Dieser Prozess wird als Carbon Vapor Deposition (CVD) oder Carbon Vapor Infiltration (CVI) bezeichnet – diese Begriffe sind für die Zwecke der vorliegenden Erfindung austauschbar. Alternativ dazu kann das Substrat wiederholt mit flüssigem Pech oder kohlenstoffhaltigem Harz imprägniert und das Harz danach verbrannt werden.
Bei der CVI/CVD handelt es sich um einen allgemein bekannten Prozess für das Ablagern einer Bindungsmatrix in einer porösen Struktur. Der Fachausdruck "Carbon Vapor Deposition" (CVD) betrifft allgemein die Ablagerung einer Oberflächenbeschichtung, der Begriff wird aber auch im Hinblick auf die Infiltrierung und Ablagerung einer Matrix in einer porösen Struktur verwendet. Der Fachausdruck CVD/CVI soll sich hier auf die Infiltrierung und Ablagerung einer Matrix in einer porösen Struktur beziehen. Diese Technik eignet sich besonders für die Herstellung von zusammengesetzten Hochtemperatur-Verbundwerkstoffen durch Ablagern einer kohlenstoffhaltigen oder keramischen Matrix in einer kohlenstoffhaltigen oder keramischen porösen Struktur. Diese Verbundwerkstoffe eignen sich besonders für Strukturen wie Kohlenstoff/Kohlenstoff-Flugzeugbremsscheiben und keramische Brennkammer- oder Turbinenkomponenten. Die allgemein bekannten CVI/CVD-Prozesse lassen sich in vier allgemeine Kategorien einteilen: isothermisch, Temperaturgradient, Druckgradient und Impulsströmung.
Bei einem isothermischen CVI/CVD-Prozess wird ein gasförmiger Reaktionspartner bei einem absoluten Druck von bis zu einigen wenigen Millitorr um eine erwärmte poröse Struktur geleitet. Das Gas diffundiert durch Konzentrationsgradienten und Risse getrieben in die poröse Struktur und lagert eine Bindungsmatrix ab. Dieser Prozess ist auch als "konventionelle" CVI/CVD bekannt. Die poröse Struktur wird auf eine mehr oder weniger einheitliche Temperatur erwärmt – daher der Begriff "isotherm", bei dem es sich aber eigentlich um eine falsche Bezeichnung handelt. Einige Schwankungen bei der Temperatur innerhalb der porösen Struktur lassen sich aufgrund der ungleichmäßigen Erwärmung (in den meisten Öfen im Wesentlichen unvermeidlich), des Abkühlens einiger Abschnitte aufgrund des Strömens des gasförmigen Reaktionspartners und des Erwärmens oder Abkühlens anderer Abschnitte aufgrund der Auswirkungen der Reaktionswärme nicht vermeiden. Im Wesentlichen bedeutet "isothermisch", dass nicht versucht wird, einen Temperaturgradienten herbeizuführen, der bevorzugt die Ablagerung einer Bindungsmatrix beeinflusst. Dieser Prozess eignet sich sehr gut für das gleichzeitige Verdichten großer Mengen poröser Gegenstände und besonders gut für die Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Bremssscheiben.
Bei einem Temperaturgradient-CVI/CVD-Prozess wird eine poröse Struktur auf eine Art und Weise erwärmt, die steile Temperaturgradienten erzeugt, die zu einer Ablagerung in einem Abschnitt der porösen Struktur führen. Die Temperaturgradienten können durch die Erwärmung nur einer Oberfläche einer porösen Struktur entstehen, zum Beispiel durch Anordnen einer porösen Struktur an einer Suszeptorwand, und durch Abkühlen einer gegenüberliegenden Oberfläche verstärkt werden, zum Beispiel durch Anordnen der gegenüberliegenden Oberfläche der porösen Struktur an einer flüssigkeitsgekühlten Wand. Das Ablagern der Bindungsmatrix erfolgt von der heißen Oberfläche hin zur kalten Oberfläche.
Bei einem Druckgradient-CVI/CVD-Prozess wird der gasförmige Reaktionspartner dazu gezwungen, durch die poröse Struktur hindurch zu strömen, indem von einer Oberfläche der porösen Struktur zu einer gegenüberliegenden Oberfläche der porösen Struktur hin ein Druckgradient herbeigeführt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des gasförmigen Reaktionspartners ist im Vergleich zum isothermischen und zum Temperaturgradient-Prozess stark erhöht, was zu einer erhöhten Ablagerungsgeschwindigkeit der Bindungsmatrix führt. Dieser Prozess ist auch als "Zwangsumlauf"-CVI/CVD bekannt. Eine ringförmige poröse Wand kann unter Verwendung dieses Prozesses aus einer Vielzahl gestapelter ringförmiger Scheiben (für die Herstellung von Bremsscheiben) oder als einheitliche rohrförmige Struktur ausgebildet werden.
Schließlich gehört zur Zwangsumlauf-CVI/CVD das schnelle, zyklische Füllen und Entleeren einer Kammer, die die erwärmte poröse Struktur enthält, mit dem gasförmigen Reaktionspartner. Der zyklische Ablauf zwingt den gasförmigen Reaktionspartner dazu, die poröse Struktur zu infiltrieren, und erzwingt das Entfernen von Nebenprodukten des aufgespaltenen gasförmigen Reaktionspartners aus der porösen Struktur.
Bei all diesen Varianten des CVI/CVD-Prozesses wird die Kohlenstoffablagerung fortgesetzt, bis eine voreingestellte Dichte für die Anwendung des Reibungsmaterials erreicht worden ist. Nach dem Verdichtungsprozess kann eine letzte Wärmebehandlung durchgeführt werden, um die für den Verbundwerkstoff gewünschten thermischen, mechanischen und Reibungseigenschaften einzustellen.
BEISPIELE
Beispiel 2
Aus abwechselnden Schichten von Segmenten mit auf +45 Grad ausgerichteten Fasern und auf –45 Grad ausgerichteten Fasern wurde ein Vorkörper hergestellt. Eine oxidierte Polyacrylnitril-Faser, die von SGL unter dem Handelsnamen Panox vertrieben wird, wurde sowohl für die Endlosfaser als auch für die Stapelfaser verwendet. Bei dem Gewebe handelte es sich um ein Duplex-Gewebe, das aus einem kardierten, genadelten Stapelflor bestand, der auf eine Schicht aus genadeltem Endlosspinnkabel genadelt worden war. Die Segmentdicke im freien Formzustand vor dem Prozess des Nadelns der Vorkörperbaugruppe betrug 3–4 mm. Bei der Herstellung der Vorkörper dieses Beispiels wurden zwei verschieden große Segmente verwendet. Rotorvorkörper wurden aus Segmenten mit einem Innenradius von 5,5 Zoll und einem Außenradius von 10,5 Zoll hergestellt. Statorvorkörper wurden aus Segmenten mit einem Innenradius von 4,875 Zoll und einem Außenradius von 9,75 Zoll hergestellt. Beide Segmentarten wurden unter Verwendung des 68-Grad-Bogens hergestellt. Die Anzahl der Segmentschichten in den bei diesem Beispiel verwendeten Vorkörpern lag bei 26 bis 32. Diese Segmente wurden aus Segmenten mit +45 Grad und –45 Grad wie den in 1B abgebildeten erhalten. Bei dieser Ausführungsform der Erfindung befanden sich die Endlosfasern bei der Hälfte der Schichten des Vorkörpers in einem Faserwinkel von +45 Grad zur Segmentbogen-Halbierenden, und jede der Segmentschichten mit +45 Grad war von anderen Segmentschichten mit +45 Grad durch eine Segmentschicht mit –45 Grad getrennt. Die Ausrichtung zu –45 Grad wurde durch Umkehren der Segmente mit +45 Grad erreicht.
Das Nadeln wurde mit einer konventionellen Ringnadelmaschine durchgeführt. Einzelne Gewebesegmente wurden nacheinander auf einem rotierenden Ring aus geschlossenzelligem Polymerschaumstoff angeordnet, der den Innendurchmesser und den Außendurchmesser der Ringform des herzustellenden Vorkörpers aufwies. Die Segmente wurden an ihren Enden zusammengelegt und in einem spiralförmigen Verlegemuster zu einem gewünschten Gewicht und einer gewünschten Abmessung miteinander vernadelt. Während der Vorkörper dicker wurde, wurde er abgesenkt, damit von Schicht zu Schicht die gleiche Nadeleindringtiefe beibehalten wird. Der entstandene Vorkörper bestand aus vielen Schichten von Segmenten, die im Verlauf des Nadelprozesses mechanisch miteinander verbunden werden. Der Schaumstoffring wurde am Ende des Vorformprozesses entfernt. In 2 ist der resultierende Vorkörper schematisch abgebildet.
Die aus diesen Architekturen hergestellten Vorkörper wurden in einer inerten Atmosphäre bei ungefähr 1500°C wärmebehandelt, um die Fasern in Kohlenstoff umzuwandeln. Die Vorkörper wurden dann mit einem gemischten Kohlenwasserstoffgas verdichtet, wobei für das Ablagern von Kohlenstoffmatrices in den Vorkörper-Fasersubstraten ein Zwangsumlauf-CVI/CVD-Prozess verwendet wurde. Schließlich wurden die verdichteten Vorkörper wieder auf über 1500°C erwärmt, um die gewünschten thermischen, mechanischen und Reibungseigenschaften für den Verbundwerkstoff einzustellen.
Beispiel 3
Es wurden gemäß der Vorgehensweise der +/–45-Grad-Architektur aus Beispiel 2 Flugzeugbremsscheiben in normaler Größe hergestellt. Die Scheiben wurden in standardmäßiger B767-300-Geometrie konfiguriert. Die vollmaßstäbliche Bremse wies eine Konfiguration mit vier Rotoren auf, das heißt, die Bremse bestand aus 4 Rotoren, 3 Statoren, 1 Druckplatte und 1 Trägerplatte. Die ungefähren Abmessungen der Komponenten sahen folgendermaßen aus:
Diese Scheiben wurden einem Verschleißtest unterzogen, der so gestaltet war, dass er das Benutzungsspektrum eines standardmäßigen Verkehrsflugzeuges nachahmt, einschließlich kalter Halts auf der Rollbahn (die Halts auf der Rollbahn vor dem Abflug entsprechen), eines Halts bei der Landung und einer Reihe von heißen Halts auf der Rollbahn (die Halts nach der Landung entsprechen, wenn das Flugzeug das Gate anfährt). Die Landeenergie beim Verschleißtest wird auf verschiedene Energiepegel verteilt, die den Schwankungen bei der Belastung des Flugzeugs entsprechen, die im tatsächlichen Flugverkehrseinsatz vorkommen.
Der Verschleißtest wurde folgendermaßen durchgeführt:
Ablauf Nr. 1 neun kalte Halts, Halt bei Landung mit 50% Betriebsenergie (1,463 Mft-lbs), sieben heiße Halts (Ablauf wurde 120 Mal wiederholt)
Ablauf Nr. 2 neun kalte Halts, Halt bei Landung mit 75% Betriebsenergie (2,194 Mft-lbs), sieben heiße Halts (Ablauf wurde 60 Mal wiederholt)
Ablauf Nr. 3 neun kalte Halts, Halt bei Landung mit 100 Betriebsenergie (2,925 Mft-lbs), sieben heiße Halts (Ablauf wurde 20 Mal wiederholt)
Jeder Test wurde einmal für eine Konfiguration der Bremsung mit einem Rotor und einmal für eine Konfiguration mit voller Bremsung durchgeführt. Der Bremstest mit einem Rotor führte zu einem Verschleiß von lediglich 84 Mikrozoll/Oberfläche/Ablauf und der Test mit voller Bremsung zu einem Verschleiß von ledig lich 92 Mikrozoll/Oberfläche/Ablauf. Im Vergleich dazu zeigen konventionelle B767-Bremsscheiben bei diesen Tests einen Verschleiß von 154 Mikrozoll/Oberfläche/Ablauf.
Es versteht sich, dass die vorangegangene Beschreibung und die speziellen Ausführungsformen lediglich der Darstellung der Prinzipien der Erfindung dienen.

Claims

Ringförmiger Vorkörper für Bremsen aus Kohlenstofffasern (20), der eine ringförmige Scheibe umfasst, die aus mehreren ringförmigen Bogensegmenten aus Gewebe (21) aufgebaut ist, die jeweils aus 90 bis 70 Gew.-% Endlosfasern (25) und 10 bis 30 Gew.-% Stapelfasern (26) bestehen, wobei jedes der ringförmigen Segmente radiale Richtungen aufweist, die vom Mittelpunkt des Rings zu Punkten auf seinem Außendurchmesser gerichtet sind, und die radiale Richtung, die durch den Mittelpunkt des Außendurchmessers des Segments verläuft, eine Segmentbogen-Halbierende darstellt, wobei die Verbesserung Folgendes umfasst: Anordnen der Endlosfasern (25) in einer Hälfte der Gewebesegmente (21), die in einem Winkel von +45° in Bezug auf die Segmentbogen-Halbierenden angeordnet werden sollen, Anordnen der Endlosfasern (25) in der anderen Hälfte der Gewebesegmente (21), die in einem Winkel von –45° in Bezug auf die Segmentbogen-Halbierenden angeordnet werden sollen, und Anordnen der um +45° abgewinkelten Bogensegmente (21) und der um –45° abgewinkelten Bogensegmente (21) in abwechselnden Schichten.
Vorkörper aus Kohlenstofffasern nach Anspruch 1, bei dem die ringförmige Scheibe aus Bogensegmenten aus Gewebe (21) aufgebaut ist, die aus 85 Gew.-% Endlosfasern (25) und 15 Gew.-% Stapelfasern (26) bestehen.
Vorkörper aus Kohlenstofffasern nach Anspruch 1, bei dem die Schichten aus den Bogensegmenten aus Gewebe (21) durch zumindest einen Teil der Stapelfasern (26) untereinander verbunden sind.
Gewebestruktur nach Anspruch 1 oder 3, bei der die Endlosfasern und die Stapelfasern beide im Wesentlichen aus oxidierter Polyacrylnitril-Faser (OPAN) bestehen.
Verfahren für die Herstellung eines ringförmigen Verbundvorkörpers (20), das folgende Schritte umfasst: a) Bereitstellen eines Nadelvlieses, das einen Hauptanteil aus unidirektionalem Endlosfaserspinnkabel (25) und einen geringen Anteil an Stapelfaserflor (26) umfasst, b) Herstellen mehrerer ringförmiger Bogensegmente (21) aus diesem Gewebe, die den Außendurchmesser und den Innendurchmesser des aus dem Gewebe herzustellenden Vorkörpers aufweisen, c) Anordnen der Segmente (21) in abwechselnden Schichten, in denen ihre Endlosfasern (25) abwechselnd in einem Winkel von +45 Grad in Bezug zur Segmentbogen-Halbierenden und in einem Winkel von –45 Grad in Bezug zur Segmentbogen-Halbierenden ausgerichtet sind, damit ein vielschichtiges Zwischenprodukt bereitgestellt wird, dessen Gewicht und Abmessung so berechnet ist, dass eine für die Anwendung gewünschte Dichte des Vorkörpers bereitgestellt wird, d) Erwärmen des vielschichtigen Zwischenprodukts auf eine Temperatur von über 1500°C in einer inerten Atmosphäre für eine Zeitdauer, die ausreicht, um die Fasern in Kohlenstoff umzuwandeln, und e) Verdichten des karbonisierten Produkts durch Kohlenstoffablagerung bis zur gewünschten Dichte des Vorkörpers.
Verfahren nach Anspruch 5, bei dem eine fertiggestellte ringförmige Scheibe mit einer Dichte im Bereich von 1,70–1,80 g/cm³ hergestellt wird.