DE60207040T2

DE60207040T2 - Wärme-isolierendes system mit variierender faserdichte

Info

Publication number: DE60207040T2
Application number: DE60207040T
Authority: DE
Inventors: Henry Moody
Original assignee: Albany International Techniweave Inc
Current assignee: Albany International Techniweave Inc
Priority date: 2001-01-10
Filing date: 2002-01-09
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2022-01-10
Also published as: NO20033154D0; NO20033154L; RU2003121309A; DK1353885T3; US6555211B2; ES2252477T3; WO2002083595A2; KR20030086589A; BR0206401B1; CN1494519A; JP4458510B2; US20020090873A1; CA2434138C; US6936339B2; RU2293718C2; JP2004527441A; CA2434138A1; ATE308489T1; MXPA03006171A; ZA200305309B

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft thermische Schutzmaterialien (TPMs) für die Luft- und Raumfahrtindustrie, insbesondere ein verstärktes Carbon-Verbundmaterial, welches eine variable Substratdichte vor der Imprägnierung besitzt, welches mit einem Wärme ableitenden Harz (ablative resin) auf Silikonbasis imprägniert wird, welches gehärtet und hergestellt wird, um einen strukturellen Aufbau zu ergeben, welcher nützlich für die Befestigung auf einer Außenoberfläche einer Struktur ist, die durch das thermische Schutzmaterial geschützt werden soll, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Während des Wiedereintritts in die Atmosphäre wird ein Fahrzeug extremen thermischen Bedingungen ausgesetzt. Sobald das Fahrzeug in die Atmosphäre bei sehr hohen Geschwindigkeiten eintritt, setzen Reibungskräfte hohe Stufen von thermischer Energie frei, welche die Temperatur auf eine Stufe erhöhen können, die für die Außenschale zerstörend ist. Um das Fahrzeug vor hohen Temperaturen und Windscherkräften zu schützen, ist die Außenschale des Fahrzeugs üblicherweise mit thermischen Schutzmaterialien beschichtet, welche als Isolatoren wirken und so gestaltet sind, dass sie diesen extremen thermischen Bedingungen widerstehen.
Carbon-Carbon(C-C)Verbundmaterialien sind eine Klasse von thermischen Schutzmaterialien, welche unter solchen Bedingungen mit nachgewiesener Wirksamkeit verwendet wurden. Der Erfolg eines besonderen thermischen Schutzmaterials erfordert es, dass das System eine ausreichende mechanische Festigkeit bei hohen Temperaturen besitzt, endotherme Reaktionen bei Zersetzung hervorruft, und eine hohe Ausstrahlungsfähigkeit der Oberfläche (high surface emissivity) besitzt.
In seiner einfachsten Form wird ein Carbon-Carbon-Verbundmaterial durch Kombination von Carbonfasern mit einem organischen Harz hergestellt, üblicherweise ein Epoxid- oder Phenolharz mit einem hohen Carbonanteil, und die sich ergebende Carbonfaser und die Harzmatrix werden gehärtet, um eine dreidimensionale Struktur zu erreichen, wie zum Beispiel eine Kachel oder einen Knüppel (billet) oder einen anderen Gegenstand. Die Matrix besitzt eine Dichte, ein Leervolumen und einen (bestimmten) Grad an mechanischer Festigkeit.
Die Carbonfaser und die Harzmatrix werden dann einer Hochtemperatur-Behandlung unterzogen, welche die Harzmatrix zu reinem Carbon zersetzt, ein Verfahren, das Verkohlung oder Carbonisierung genannt wird. Die Verkohlung verändert die Harzbeschichtung von einem organischen Harz zu freiem Carbon, welches die Carbonfasern beschichtet und zum Teil die Leerräume der Matrix mit freiem Carbon ausfüllt. Das thermische Schutzmaterial kann einigen Verkohlungskreisläufen unterzogen werden, ein Prozess, der als Verdichtung bekannt ist. Das Ergebnis der Verdichtung besteht darin, ein steiferes Substrat mit einem geringeren Leervolumen zu schaffen. Die verkohlte Oberfläche des Substrats besitzt eine strukturelle Leistungsfähigkeit bei hoher Temperatur, welche eine wünschenswerte Eigenschaft ist.
Herkömmliche C-C-Verbundmaterialien werden in einer solchen Weise hergestellt, dass eine in hohem Maße gefüllte und versteifte Struktur mit einem Minimum an Porosität hergestellt wird. Es gibt viele Arten, C-C-Materialien zu verdichten, einschließlich der Durchtränkung mit Petroleum, Pech, der Imprägnierung mit Phenol- oder anderen organischen Harzen, oder der Dampfdurchtränkung mit Carbon (carbon vapor infiltration, CVI) unter Verwendung von Kohlenwasserstoffen mit niederem Molekulargewicht, wie zum Beispiel Methan. Jede Substanz, die für die Verdichtung verwendet wird, sollte eine hohe Carbon-Ausbeute bei der Verkohlung besitzen. Wiederholte Zyklen von Imprägnierung und Carbonisierung sind erforderlich, um zunächst das Material mit den Carbon-Materialien zu erfüllen und sie anschließend auf eine ausreichend hohe Temperatur (im Allgemeinen über 500°C) zu erhitzen, um die eindringenden Stoffe zu verkohlen und eine Porosität für weitere Verdichtungszyklen zu schaffen. Ein typischer Dichtebereich für ein C-C-Verbundmaterial mit einer Porosität von 5% ist annähernd 1,6 bis 1,8 g/cm³, in Abhängigkeit von den eindringenden Stoffen und den in dem Verbundmaterial verwendeten Carbonfasern.
Die Verwendung von C-C-Verbundmaterial bei Fahrzeugen, die über einen langen Zeitraum aus großer Höhe mit Überschallgeschwindigkeit wieder in die Atmosphäre eintreten, zeigt jedoch manche Eigenschaften, welche die Leistung der (Raumfahrt-)Mission ernsthaft beeinträchtigen können. Eine größere Beschränkung dieser Materialien liegt darin, dass sie bei extremen thermischen Bedingungen der Oxidation unterliegen. Die Oxidation, welche diese thermischen Schutzmaterialien während eines lang dauernden Wiedereintritts erfahren, kann zu großen Veränderungen in der Gestalt auf der Luft-Schale des Fahrzeugs (vehicle aero-shell) führen. Veränderungen der Gestalt, welche die mechanische Festigkeit und die Aerodynamik des Fahrzeugs in ungünstiger Weise beeinflussen, sind nicht hinnehmbar. Um den Verlust mechanischer oder struktureller Unversehrtheit auszugleichen, welcher zu Veränderungen der Gestalt führen kann, wird üblicherweise die Dicke des Materials erhöht. Die Erhöhung der Dicke erhöht jedoch in nicht hinnehmbarer Weise das Gewicht und das Volumen des Fahrzeugs und vermindert somit die Ladefähigkeit und erhöht die Kosten.
Während die C-C-Klasse der thermischen Schutzmaterialien sie aufgrund ihrer ausgezeichneten strukturellen Eigenschaften bei hoher Temperatur zu guten Kandidaten für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt macht, können die Veränderungen der Gestalt bei Oxidation nach wie vor ein Problem darstellen. Um sich dem zuzuwenden, wurden ausführliche Anstrengungen in Bezug auf oxidationsbeständige Beschichtungen für C-C-Verbundmaterialien unternommen, jedoch mit begrenztem Erfolg. Die bis heute entwickelten Beschichtungen sind auf Temperaturstufen begrenzt, die im Allgemeinen unterhalb von jenen liegen, die während des Wiedereintritts in die Atmosphäre auftreten, oder bei anderen Anwendungen hoher Temperatur. Ebenso sind die Beschichtungskosten und die Haltbarkeit (die Haltbarkeit in Form der Handhabung der Mikro-Brüche, des Auftretens von kleinen Löchern, des Auftreffens von Teilchen und der Handhabung des Schadens vom Boden (damage from ground handling)) ernsthafte Punkte, wenn man Beschichtungen für die Verwendung auf thermischen Schutzmaterialien der C-C-Verbundmaterialien betrachtet.
Die Wärmeisolierungs-Technologie verwendet einige Mechanismen, um den hohen Grad an thermischer Energie zu handhaben, die während des Wiedereintritts freigesetzt wird. Drei von diesen (Mechanismen) sind die Verdampfung und die Zersetzung (Pyrolyse) des Harzes und die anschließende Kühlung der Grenzschicht unter Absonderung von „Schweiß" (transpirational cooling). All diese Verfahren absorbieren Wärme. Die Erzeugung großer Mengen von Gas ist eine Maßnahme der Fähigkeit eines Systems, das auf Wärmeableitung (ablation based system) be ruht, Wärme zu absorbieren. Die Erzeugung von Gas kann auch durch Imprägnieren des C-C-Substrats mit einem organischen Material erhöht werden, das besonders dafür vorgesehen ist, bei Exposition des Systems gegenüber einer hohen Wärmebelastung zu verdampfen und zu pyrolysieren. Materialien, die in diesen passiven Transpirations-Systemen verwendet werden, die als Kühlmittel bekannt sind, umfassen Materialien, wie zum Beispiel Polyethylen oder Epoxid-, Acryl- oder Phenol-Harze.
Bei einem solchen System wird innerhalb des Materials eine Pyrolysezone geschaffen, in der das Harz und alle vorhandenen ergänzenden Kühlmittel auf Temperaturen erhitzt werden, bei denen die organischen Materialien sich zersetzen. Die Wirkung besteht in der Absorption von Wärme und der Erzeugung von zusätzlichem Carbon, das in der Pyrolysezone zurückbleiben kann und/oder auf den Carbonfasern oder innerhalb des Leervolumens des Substrates abgeschieden werden kann. Somit stehen das Endgewicht des C-C Wärme ableitenden Materials und die Fähigkeit, Wärme zu absorbieren, in unmittelbarem Zusammenhang mit der Menge des in dem C-C-Verbundmaterial verfügbaren Harzes vor dem Wiedereintritt.
Auf der Oberfläche des C-C Wärme ableitenden Materials wird die Wärme aufgrund der Brechungseigenschaften des Carbon-Substrates zurückgestrahlt. Darüber hinaus werden die in der Pyrolysezone innerhalb des C-C Wärme ableitenden Materials erzeugten Gase in Richtung der Oberfläche bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur freigesetzt, im Vergleich zu den Bedingungen an der Oberfläche. Diese Wirkung, bekannt als Transpiration von Pyrolysegas (pyrolysis gas transpiration), stellt eine Kühlung an der Oberfläche des thermischen Schutzmaterials bereit. Die Nachteile der hier beschriebenen passiven Transpirationssysteme umfassen die hohe Gesamtdichte des Materials und den hohen inneren Druck, der durch das plötzliche Entstehen der Gase innerhalb des Materials verursacht wird. Wärme ableitende Systeme, welche große Volumina an Gas erzeugen und anschließend freisetzen können, zeigen somit eine größere Fähigkeit, die Wärme beim Wiedereintritt in die Atmosphäre zu absorbieren und zu verteilen.
In dieser Hinsicht ist die Struktur des C-C-Substrats erheblich für die Wirksamkeit des Wärme ableitenden Materials insgesamt. Das Leervolumen kann mit einem Harz oder einem anderen Kühlmittel gefüllt werden, um ein Ausgangsmaterial für die Erzeugung der Gase bereitzustellen. Zusätzlich können Verfahren zur Konstruktion des Substrats den größeren Transpirations-Wegen zur Freisetzung der Gase Rechnung tragen. Systeme, welche große Volumina von Gas über einen kurzen Zeitraum erzeugen, erzeugen ebenfalls hohe innere Drücke. Solche Drücke verursachen ein inneres Brechen in dem Substrat (Mikro-Brüche) und auch ein Absplittern an der Oberfläche. Diese Wirkungen sind schädlich für die mechanische Unversehrtheit des Systems, und sie können auch zu einem Systemversagen führen. Daher schützen verbesserte Transpirationswege auch das System vor den Auswirkungen dieses inneren Drucks.
Das US-Patent 5,635,300 von Kostikov et al. beschreibt einen Fortschritt im Stand der Technik von C-C- oder keramischen, Wärme ableitenden Materialien durch Einführung von Harzen auf Silikonbasis auf das C-C-Substrat. Bei der Zersetzung und der nachfolgenden Exposition gegenüber sehr hohen Temperaturen an der Oberfläche reagiert das Silizium-Harz mit dem Carbonsubstrat, um ein Siliziumcarbid (SiC) zu bilden, welches jene Fasern bedeckt, die hohe Temperaturbedingungen erfahren. Die Bildung von SiC ist widerstandsfähiger gegenüber Oxidation als Carbon, und somit wirkt es in dem Sinn, das Carbon-Substrat zu stärken, indem es ein SiC-Skelett in den Bereichen äußerst hoher Temperatur bildet. Wenn länger dauernde Bedingungen von hoher Temperatur und Windscherkräften an der Oberfläche zu einem Verlust an SiC führen, macht das gerade exponierte Carbon-Substrat eine weitere Reaktion durch, um neues SiC zu bilden, und somit das Schutz-Skelett zu regenerieren.
Die SiC-Schicht, welche sich über den Fasern des Carbon-Substrats im Inneren des Wärme ableitenden Materials bildet, besitzt einen anderen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (coefficient of thermal expansion; CTE) als das Carbon selbst. Dieses Ergebnis führt dazu, dass, falls das System einer Temperaturveränderung ausgesetzt ist, die SiC-Beschichtung innerhalb des Carbon-Substrats Mikrobrüche bildet. Diese Brüche bilden Durchtrittswege für den Eintritt von Luft, welche zu einer Oxidation des Carbon-Substrats führt, und die zu einem Verlust an Festigkeit und der Unversehrtheit des Wärme ableitenden Materials führt.
Im Patent von Kostikov wird ein Carbon-SiC-Substrat erzeugt, indem eine Carbon-Plastik-Vorform erhalten wird, die aus Carbonfasern und einem thermisch härtenden (duroplastischen) Harzbinder zusammengesetzt ist, und das durch Hitzebehandlung erhalten wird, um eine durch Carbonfasern verstärkte Koksmatrix zu bilden. Die Koksmatrix wird durch Durchtränken mit pyrolytischem Carbon und durch Behandlung der Vorform bei 1900°C bis 2000°C verdichtet. Entsprechend dieser Erfindung werden Porenkanäle gebildet, die der Kristallisation des auf der Matrix abgeschiedenen Carbons folgen. Der Verdichtung folgt eine Behandlung mit Silizium, welches ein SiC-Skelett in den Porenräumen des Verbundmaterials bildet. Die Carbonfasern können in Form eines gewebten Stoffes oder eines gewebten Substrats vorliegen.
Das US-Patent 5,672,389 von Tran et al. offenbart ein keramisches, Wärme ableitendes Material von niedriger Dichte, welches ein faserartiges keramisches Substrat verwendet, das vor der Imprägnierung mit einer Harzmatrix eine Dichte von etwa 0,15 bis 0,2 g/cm³ besitzt. Das Patent von Tran umfasst Carbonfasern innerhalb einer Definition des Ausdruckes „keramisch". Das keramische Substrat wird mit einer Lösung von niedriger Viskosität imprägniert, die ein organisches Harz in einem Lösungsmittel enthält. Das überschüssige, eindringende Mittel wird entfernt, gefolgt von der Entfernung des Lösungsmittels im Vakuum, und es lässt harzbeschichtete Fasern und ein Substrat mit einer durchschnittlichen Dichte von 0,15 bis 0,4 g/cm³ zurück. Das Patent von Tran offenbart, dass das sich ergebende, Wärme ableitende Material entweder eine gleichförmige Verteilung des Harzes auf den keramischen Fasern oder eine nicht-gleichförmige Verteilung aufweisen kann. Die nicht-gleichförmige Verteilung besitzt den Vorteil, dass sie den notwendigen Grad der Wärme-Ableitung an der Außenfläche erreicht, während sie an der Innenfläche ein leichtes Gewicht besitzt, wo extreme Temperaturen nicht auftreten.
Zusätzlich reagiert bei den oxidierenden Bedingungen an der Oberfläche das Silizium mit dem atmosphärischen Sauerstoff, um eine Beschichtung aus Siliziumdioxid (SiO₂) zu bilden, welches als eine glasartige Schicht auf der Außenfläche des Wärme ableitenden Materials offenbar wird. Diese Mischung aus SiO₂ und freiem Carbon und freiem SiC besitzt eine hohe Ausstrahlungsfähigkeit der Oberfläche, welche die Fähigkeit des Materials verbessert, Wärme von der Oberfläche aufgrund der Konvektion und der Rückstrahlung vom Carbon-Substrat abzustrahlen.
Das US-Patent 5,965,266 von Goujard et. al. offenbart ein thermisches Schutzmaterial aus Carbon-SiC(C-SiC)Verbundmaterial, welches einen sich selbst reparierenden Mechanismus für die in situ Reparatur der C-SiC Matrix besitzt. Die Matrix wird mit Hitze behandelt, um SiC und Borcarbid (BC) über der C-SiC Matrix zu bilden. Die SiC-Schicht verbessert die mechanische Festigkeit des Systems. Aufgrund des Unterschiedes im thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) erfährt die Matrix ein schädliches Brechen, wenn sie Temperaturveränderungen ausgesetzt wird, denen sie während des Wiedereintritts in die Atmosphäre ausgesetzt ist. Diese Brüche erzeugen Wege, welche den Eintritt von Luft ermöglichen, welche die Oxidation der C-SiC Matrix verursacht und somit die Struktur des thermischen Schutzmaterials mechanisch schwächt.
Die Erfindung von Goujard liefert verfügbares, freies Silizium und Bor als Glas-Vorläufer, welche mit dem exponierten Carbon unter den hohen Temperaturen und den Oxidationsbedingungen des Wiedereintritts reagieren. Diese Glas-Vorläufer sind dazu da, eine sich selbst reparierende Glasschicht innerhalb der Brüche zu bilden, und den Weg für die innere Oxidation des Substrats zu verschließen.
Zusätzlich zur Festigkeit und zur Dichte eines Wärme ableitenden Systems haben auch die Art, in der das Material auf der Luft-Schale (aero-shell) befestigt wird, und der Einbau zusätzlicher Isolationsschichten Einfluss auf den Erfolg des thermischen Schutzmaterials. Das US-Patent Nr. 3,152,548 von Schwartz offenbart ein System, bei dem eine Reihe aufgewickelter Drähte an der Luft-Schale befestigt werden, und das keramische thermische Schutzmaterial auf den Metallspulen befestigt wird und so einen Raum zwischen der Luft-Schale und dem keramischen thermischen Schutzmaterial erzeugt. Dieser Raum wird mit einem biegsamen, thermischen Isolationsmaterial gefüllt, und liefert somit einen zusätzlichen Isolationsschutz für die Luft-Schale. Das Patent offenbart, dass die Verwendung von gewickelten Drähten die Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen der Metall-Luft-Schale und dem keramischen Isolator ausgleicht.
US 4,713,275 offenbart ein keramisches, thermisches Schutzsystem und US 5,242,723 offenbart einen thermischen Isolator, der einen Filz aus Carbonfaser umfasst, welcher mit einem carbonisierten Harz verbunden ist.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein thermisches Schutzmaterial (TPM) bereitzustellen, welches ein Carbon-Carbon(C-C)Wärme ableitendes Material ist, und welches verhältnismäßig geringe Kosten verursacht und von geringer Dichte und hoher mechanischer Festigkeit ist, und welches einen hohen Grad an Schutz vor Oxidation bietet. Die vorliegende Erfindung erlaubt die Herstellung des thermischen Schutzmaterials in einer Weise, in der die Variablen der Festigkeit, des Gewichts und der Wärmeabsorption über die Dicke oder die Länge des thermischen Schutzmaterials variiert werden können, so dass ein optimaler Ausgleich dieser Variablen bei geringsten möglichen Kosten erreicht werden kann. Das C-C Wärme ableitende Material der vorliegenden Erfindung liefert auch eine Struktur mit Durchtrittswegen, welche verbesserten Raten der Transpiration der erzeugten Gase Rechnung tragen. Das C-C Wärme ableitende thermische Schutzmaterial dieser Erfindung umfasst ebenso Verfahren zur Konstruktion, welche neue und nützliche Arten der Konstruktion des C-C Wärme ableitenden thermischen Schutzmaterials in Betracht ziehen, so dass das Isolationsmaterial zwischen das thermische Schutzmaterial und die Luft-Schale des Fahrzeugs eingebaut werden kann.
Das C-C-Substrat der vorliegenden Erfindung ist ein dreidimensionaler Gegenstand, der gewebt oder nicht gewebt sein kann. Die Dichte der Fasern nimmt entlang der Dicke des thermischen Schutzmaterials zu, und erhöht somit die Festigkeit des Substrats in dieser Richtung. Die Faserdichte kann durch Variation entweder des Webverfahrens oder der Art des verwendeten Stoffes (d.h. gewebt, nicht gewebt, gestrickt oder geflochtene Stoffe) variiert werden. Zusätzlich kann die Erfindung ein Vernähen des Stoffes umfassen, welches die gegenseitige Verbindung der Fasern entlang der Dicke der Struktur (die z-Richtung) erhöht. Das Vernähen dient auch der Erhöhung der Porosität in der z-Richtung, und liefert somit verbesserte Wege für die Transpiration der Wärme ableitenden Gase, die unter den Bedingungen der hohen Temperatur erzeugt werden, wie zum Beispiel während des Wiedereintritts. Verbesserte Webverfahren, welche dreidimensionale Strukturen erzeugen können, können ebenfalls verwendet werden, um die Faserdichte in der z-Richtung zu variieren, und um die Transpirationsraten des Wärme ableitenden Materials zu erhöhen.
Das C-C Wärme ableitende Material dieser Erfindung wird mit einem organischen Harz imprägniert, das einen hohen Carbonanteil besitzt, und die sich ergebende Matrix wird gehärtet. Das sich ergebende beschichtete Substrat wird einem oder mehreren Verkohlungszyklen unterzogen, um das Substrat zu verdichten. Nach den Verkohlungszyklen wird das System mit einem Wärme ableitenden Harz auf Siliziumbasis behandelt und gehärtet.
Dieser Erfindung innewohnend ist die Verwendung eines Wärme ableitenden Harzes auf Siliziumbasis. Ein Harz auf Silizium basis ist unter der Oberfläche des Verbundmaterials verfügbar, und wenn es erhitzt wird, fließt es zur Oberfläche, um mit dem Carbon zu reagieren und SiC zu erzeugen. Während das Wärme ableitende Harz als ein Kühlmittel für das System dient, können die chemischen Reaktionen, welche bei hohen Temperaturen innerhalb des Wärme ableitenden Materials auftreten, somit auch dazu dienen, eine mechanische Festigkeit für das C-C-Substrat zu liefern, indem eine oxidationsbeständige SiC-Beschichtung erzeugt wird.
Während des Wiedereintritts sind die hohen Temperaturen ausreichend, um das Carbon-Substrat zu oxidieren. Dies führt zu einem Rückgang der Oberfläche des Wärme ableitenden Materials, was zu einem Verlust an thermischer Festigkeit führt und infolge dessen zu einer Veränderung der Gestalt der Fahrzeugoberfläche. Diese Veränderungen der Gestalt können die Aerodynamik des Fahrzeugs in negativer Weise beeinflussen, was nicht hinnehmbar ist. Die hohe Temperatur des Systems während des Wiedereintritts erzeugt SiC aus einer Reaktion des Siliziums mit dem Carbon des Substrats. Während des Wiedereintritts wird dann ein Teil der verkohlten Schicht oxidiert. Wenn dies passiert, wird Carbon durch SiC ersetzt, welches eine schützende Schicht liefert, die der Oxidation widersteht. Wenn darüber hinaus der Rückgang an der Oberfläche des Wärme ableitenden Materials fortschreitet, reagiert das exponierte Carbon-Substrat weiterhin mit dem Silizium, um eine Schicht aus Siliziumcarbid an der betroffenen Stelle zu bilden.
Zusätzlich reagiert bei hohen Temperaturen das Silizium in den Gasen, die durch die Pyrolyse des Harzes produziert werden, mit dem Sauerstoff in der Atmosphäre an der Oberfläche des Wärme ableitenden Materials, um Siliziumdioxid (SiO₂) zu produzieren, zusammen mit einer Mischung aus freiem Carbon und Si liziumcarbid. Diese Mischung kann hochgradig durchlässig sein. Mit der weiteren Oxidation nimmt die Konzentration des SiO₂ an der Oberfläche zu und liefert einen Oxidationsschutz für das unter der Oberfläche liegende Carbon und SiC.
Ein weiterer Gesichtspunkt dieser Erfindung liegt darin, dass die Bildung des SiC nicht auftritt, bis das System den hohen Temperaturen des Wiedereintritts ausgesetzt wird. Dieses Merkmal der Erzeugung der SiC-Matrix in situ vermeidet schädliche Wirkungen der Mikro-Brüche, welche auftreten, wenn ein C-C Substrat und eine SiC Matrix hohen Temperaturveränderungen und/oder mechanischen Belastungen ausgesetzt werden.
Was entwickelt wurde, ist ein einzigartiger Ansatz zur Bildung eines C-C-Verbundmaterials bei geringen Kosten mit einem in situ Verfahren zur Bereitstellung eines haltbaren Oxidationsschutzes. Es ist dies nicht nur eine Vorgehensweise mit geringeren Kosten, sondern sie bietet auch eine verbesserte Wärme ableitende Widerstandsfähigkeit im Vergleich mit den herkömmlichen C-C-Verbundmaterialien, die bis heute verwendet werden. Ein C-C von geringerer Dichte (1,3 bis 1,5 g/cm³) wird verwendet. Dies führt zu erheblichen Kosteneinsparungen aufgrund der geringeren Zahl der erforderlichen Verdichtungszyklen. Dieses Material wird mit einem Wärme ableitenden Harz auf Silikonbasis durchtränkt (wie zum Beispiel ein RTV, hergestellt von General Electric Corp.) unter Verwendung eines Harzübertragungs-Formgebungsverfahrens (resin transfer molding process, RTM).
Das RTM-Verfahren beinhaltet das Entfernen von Luft aus der Probe in einer geschlossenen Form und das Imprägnieren der Probe mit RTV unter Druck, um es in die verfügbaren Poren des Substrats zu füllen. Da diese Erfindung es erfordert, dass RTV-Materialien innerhalb des Substrats gespeichert werden, um für den Schutz während des Erwärmens beim Wiedereintritt verfügbar zu sein, werden Vorkehrungen für diese Speicherfläche in Form eines erhöhten Leervolumens getroffen. Darüber hinaus muss das C-C-Substrat so konstruiert und hergestellt sein, dass dieses Speichervolumen und die Verteilung vorhersagbar sind. Dies ist wichtig, um die Menge des RTV zu kontrollieren, da zuviel RTV einen hohen inneren Gasdruck während der Exposition gegenüber hohen Temperaturen erzeugen kann. Eine nicht ausreichende Menge an RTV führt zu einem Verlust der Schutzwirkungen des Wärme ableitenden Systems während der Wiedereintrittsphase des Fluges.
Andere Ausführungsformen der Erfindung umfassen ein C-C-Substrat, welches durch ein dreidimensionales Webverfahren erzeugt wird, das als Doppelripp-Flechten über viele Schichten bekannt ist (multilayer interlock braiding). Dieses Webverfahren kann verwendet werden, um ein dreidimensionales Carbonfaser-Substrat mit der gewünschten Abstufung bezüglich der Faserdichte in einer Richtung herzustellen. Der dreidimensionale gewebte Gegenstand besitzt eine große Festigkeit in der z-Richtung und vermeidet die Probleme, die mit zweidimensionalen Stoffen auftreten, welche einen geringeren Zusammenhalt und eine geringere gegenseitige Verknüpfung entlang der Schichten der Zusammensetzung haben können.
Doppelripp-Flechten über viele Schichten (multilayer interlock braiding) ist ein Verfahren, welches die Herstellung eines gegenseitig verknüpften, dreidimensionalen Geflechts ermöglicht, das zu einer dreidimensionalen Form geformt werden kann. Dieses Verfahren kann eine dreidimensionale Struktur mit einer Variation in der Faserdichte in der z-Richtung erreichen. Das sich ergebende dreidimensionale Substrat besitzt eine erhöhte Festigkeit in der z-Richtung und berücksichtigt verbesserte Durchtrittswege für die Gastranspiration in der z-Richtung. Das sich ergebende Substrat kann für eine zusätzliche gegenseitige Verknüpfung und für Transpirationswege genäht werden. Doppelripp-Flechten über viele Schichten (multilayer interlock braiding) wird in einem Artikel beschrieben, mit dem Titel „Dreidimensional geflochtene Verbundwerkstoffe, ihre Gestaltung und Anwendung" (3-D Braides Composites, Design and Applications), Brookstein, D. (Albany International Research Co., Sixth European Conference on Composite Materials, September 1993), dessen Offenbarung durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen wird.
Ein zusätzlicher Vorteil dieser Erfindung, der nicht mit beliebigen Zusammensetzungen im Stand der Technik erreichbar ist, ist die Fähigkeit, nicht nur die Dichte gegenüber der Festigkeit des Substrats zu kontrollieren, sondern auch die verfügbare Menge des Wärme ableitenden Harzes, das pyrolysiert werden soll, und daher als ein Kühlmittel verfügbar ist. Die vorliegende Erfindung besitzt eine variable Dichte und ein Leervolumen in der Richtung der Dicke des thermischen Schutzmaterials. Die Stellen mit einem größeren Leervolumen enthalten größere Mengen an RTV, das während des Wiedereintritts für die Wärmeableitung verfügbar ist. Daher variiert die Kühlkapazität des thermischen Schutzmaterials in Abhängigkeit von der Dichte des C-C-Substrats. Die äußeren Schichten können ein größeres Volumen an Kühlmittel enthalten, während die inneren Schichten eine höhere mechanische Festigkeit zeigen können.
Um Materialsysteme bereitzustellen, welche die vorstehend erwähnten Erfordernisse für die Porosität und für den Gasaustritt erfüllen, sind einige Herstellungs-Verfahren als Kandidaten verfügbar. Diese umfassen eine offen gewebte, gestrickte Struktur, da die mit dem Strickverfahren einhergehenden Schlaufen natürliche Taschen der Porosität liefern, die für die Speicherung des RTV verfügbar sind. Ein anderes Konzept besteht in einer gewebten Struktur mit zweckbestimmten Abständen zwischen benachbarten Garnen zur Erzeugung des für die Speicherung des RTV notwendigen Volumens. Ein weiteres Konzept besteht in einer vielschichtigen gewebten Struktur unter Verwendung einer Webmaschine vom Jacquard-Typ. Die Webarchitektur in einer solchen Struktur kann einfach maßgeschneidert werden, um ein Volumen für die Speicherung des RTV bereitzustellen. Ein weiteres Konzept, welches eine Option mit niedrigen Kosten bietet, ist eine nicht gewebte Vorform. Eine solche Vorform kann in einer geschichteten Konstruktion mit vorgeformter Orientierung hergestellt werden. Darüber hinaus können sowohl dieses Konzept als auch die anderen erwähnten Konzepte von einem Nähverfahren für eine zusätzliche strukturelle Einheit profitieren.
Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, Wege für den Gasaustritt in die Struktur einzubauen. Eine Möglichkeit besteht darin, die Vorform vor dem C-C-Verdichtungsverfahren zu nähen. Dieses Verfahren durchsticht die Fläche der gewebten Vorform in einem regelmäßigen oder einem maßgeschneiderten Muster oder Gitter. Dieses Nähverfahren verursacht, dass ein bestimmter Prozentsatz der Fasern durchstochen wird, um sie entlang der Nährichtung auszurichten, und einen Faserbestandteil mit einer durchgehenden Dicke (through thickness fiber component) zu erzeugen. Dies erzeugt nicht nur Wege, durch welche die Gase aus dem Bestandteil herauswandern, sondern die zusätzliche Verstärkung erhöht aufgrund der durchgehenden Dicke die mechanischen Eigenschaften zwischen den Schichten.
Ein weiterer Mechanismus, um Wege für den Gasaustritt von durchgehender Dicke bereitzustellen, ist das T-Formen. T-Formen ist ein Verfahren, bei dem Fasern direkt in die Vorform eingesetzt werden. T-Formen wird in dem US-Patent Nr. 6,103,337 offenbart, dessen Inhaberin Albany International Corp., Techniweave Division ist, mit dem Titel „Faserverstärkte Strukturen und Verfahren zu deren Herstellung" (Fiber Reinforced Structures and Method of Making Same), dessen Offenbarung durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen wird. Durch dieses Verfahren können die T-bildende Abstandstiefe des Eindringens und die Orientierung kontrolliert werden. T-Formen kann auch ein Verfahren sein, das für die mechanische Befestigung der äußeren Schutzschicht auf den Trägerelementen ausgewählt wird, um dreidimensionale Strukturbestandteile herzustellen.
Durch Verwendung des T-Formens können die beschriebenen Materialkonzepte für die besonderen Erfordernisse der Anwendung maßgeschneidert werden. Das thermische Schutzmaterial kann für Anordnungen hergestellt werden, welche von ihrer Struktur her imstande sind, den thermisch induzierten, strukturellen Belastungen und den aerodynamischen Belastungen beim Wiedereintritt und während des Manövrierens zu widerstehen. Das Materialsystem kann so gestaltet werden, dass es die Belastungen wirksam überträgt, während es nicht als Hitzebrücke für die Luft-Schale wirkt.
Eine weitere Verbesserung dieser Erfindung beinhaltet die verbesserten Verfahren zur Befestigung des Isolationsmaterials zwischen dem Wärme ableitenden Material und der äußeren Schale des Fahrzeugs. Das Wärme ableitende Material, das aus einem Carbonfaser-Substrat aufgebaut ist, kann zu vorteilhaften Anordnungen geformt werden. Diese strukturellen Merkmale können die Form von T-förmigen Rippen und Versteifungen, von C-C Honigwaben, von vollkommen verwebten Rippen (integrally woven ribs), von gerippten C-C- und anderen vorteilhaften Formen annehmen. Der Raum, der durch Installieren des Wärme ableitenden Materials in der Form einer gerippten, T-verbundenen oder einer ähnlichen Anordnung erzeugt wird, wird mit einem Isolationsmaterial gefüllt, um zusätzlichen Wärmeschutz zum System beizusteuern.
Eine weitere Ausführungsform dieser Erfindung liegt darin, ein Bandmaterial aus einem Carbonstoff mit dem Silizium tragenden RTV herzustellen, das auf der Stoffoberfläche imprägniert ist. Dieses Material kann anschließend unter Verwendung von Wärme und Druck laminiert werden, um einen strukturellen faserverstärkten Bestandteil mit dem Siliziumschutzschema zu bilden, das bereits vorhanden ist. Dies ist ein Verfahren, welches keine C-C-Verarbeitung erfordern würde.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Somit werden durch die vorliegende Erfindung deren Aufgaben und Vorteile verwirklicht, deren Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet werden soll, wobei:
1 eine Querschnittsansicht einer Carbonfaser-Struktur ist, die aus einigen gewebten Schichten zusammengesetzt ist, welche miteinander laminiert sind;
2 eine Querschnittsansicht einer Struktur ist, die aus einigen Schichten einer Carbon-Fasermatte und einigen Schichten eines gewebten Carbonfaserstoffes zusammengesetzt ist, wobei die Schichten miteinander laminiert sind;
3 eine Querschnittansicht der Struktur von 2 ist, welche vernäht wurde, um die Verbindung der Schichten entlang ihrer Dicke zu erhöhen;
4 eine schematische Ansicht eines Nähverfahrens und der Wirkung des Nähverfahrens ist;
5 ein dreidimensionales Carbonfasersubstrat zeigt, welches die Leerräume zwischen den Fasern zeigt;
6 eine schematische Zeichnung eines Harzübertragungs-Formgebungsverfahrens (resin transfer molding, RTM) ist;
7 eine schematische Ansicht einiger möglicher T-formender Verfahren ist;
8 die kombinierten T-Formungs- und RTM-Verfahren wiedergibt;
9 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung ist, die einen Aufbau zeigt, welcher das C-C Wärme ableitende Verbundmaterial und das Isolationsmaterial integriert; und
10 eine schematische Ansicht einiger möglicher Anordnungen eines integrierten thermischen Schutzmaterials und der Isolierung ist.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG:
VARIABLE DICHTE DES SUBSTRATS:
Wenn man sich nunmehr insbesondere den Zeichnungen zuwendet, zeigt 1 ein gewebtes Fasersubstrat, das aus einigen Schichten eines gewebten Stoffes besteht, welche laminiert sind, um eine Struktur zu bilden. Die Stoffschichten 2a, b, c, bis 2n der Struktur sind von variabler Dichte, die von der Schicht 2a bis 2n zunimmt. Die Dichte der einzelnen Schicht 2 kann variiert werden, indem die Art des Webens, die Dichte des Webens, etc. verändert wird. Die Wirkung besteht darin, dass die Gesamtdichte der Struktur in der durch t angezeigten Richtung zunimmt. Die sich ergebende Zusammensetzung ist ein dreidimensionaler Gegenstand, der aus gewebten Fasern zusammengesetzt ist, mit einer abgestuften Dichte in einer Richtung t. Die Arten der Fasern, welche bei der Herstellung des Substrats dieser Erfindung verwendet werden können, umfassen Carbon, PAN, Graphit, Siliziumcarbid oder keramische Fasern.
An der Außenfläche des gewebten Substrats von 1 (d.h. Schicht 2a, t = 0) besitzt die Struktur eine verhältnismäßig geringe Dichte und ein verhältnismäßig hohes Leervolumen, was darauf hinweist, dass dort weniger Fasern pro Einheitsfläche vorliegen, im Verhältnis zu der Gesamtstruktur. In alternativer Weise besitzt die Innenfläche des Substrats von 1 (d.h. Schicht 2n, t = t') eine höhere verhältnismäßige Dichte und ein geringeres Leervolumen, was darauf hinweist, dass dort mehr Fasern pro Einheitsfläche vorliegen, im Verhältnis zu der Gesamtstruktur. Die Wirkung dieser Zusammensetzung besteht darin, dass die inneren Schichten, welche die Schichten 2n-1 und 2n umfassen, von höherer Festigkeit sein werden, so dass, falls das System auf hohe Temperatur erhitzt wird, dieses System seine Gestalt und mechanische Unversehrtheit beibehalten wird. Gleichzeitig enthalten die äußeren Schichten, welche die Schichten 2a, b, c umfassen, große Leervolumina, die mit dem Wärme ableitenden Silizium-Harz gefüllt sind (wie zum Beispiel RTV-Harze, die von General Electric Corp. erhältlich sind), welche eine Wärmeabsorption durch die Wärme ableitenden Prozesse der Verdampfung, der Pyrolyse, und des Gas-Blasens an der Oberfläche bewirken wird. Das Wärme ableitende Verfahren wird somit auf die Außenschichten des thermischen Schutzmaterials konzentriert. Die Harze, welche geeignet sind, umfassen RTV-11, 12, 31 oder 615, die alle von General Electric Corp. hergestellt werden, jedoch sind sie nicht darauf beschränkt.
Zusätzlich zu dem Umstand, dass die äußeren Schichten eine hohe Aufnahmefähigkeit besitzen, um ein großes Volumen eines Wärme ableitenden Harzes aufzunehmen, liefern sie ebenso verbesserte Transpirationswege, welche es ermöglichen, dass große Volumina an erzeugten Gasen entweichen. Das große Volumen des austretenden Gases stellt eine erhöhte Fähigkeit zur Wärmeabsorption an der Oberfläche des thermischen Schutzmaterials bereit, während es den inneren Druck aufgrund der entwickelten Gase erleichtert, welcher die mechanische Belastung und den Schaden an dem Substrat des thermischen Schutzmaterials minimiert.
Die 2 und 3 stellen alternative Strukturen dar, welche von der Erfindung umfasst sind. 2 zeigt ein kombiniertes, gewebtes und nicht gewebtes Fasersubstrat, das aus einigen Schichten eines Stoffes besteht, welche miteinander laminiert sind, um eine Struktur zu bilden. Die Stoffschichten 2a, b, c bis n der Struktur sind von variabler Dichte, die von der Schicht 2a bis 2n zunimmt. Die äußeren Schichten, welche die Schichten 2a, b, c umfassen, bestehen aus einem nicht gewebten Material aus Fasermatten mit einer verhältnismäßig niedrigen Dichte und einem verhältnismäßig hohen Leervolumen. Die inneren Schichten, welche die Schichten bis zur und einschließlich der Schicht 2n umfassen, besitzen eine verhältnismäßig höhere Dichte und ein geringeres Leervolumen. Wie in der vorstehenden Ausführungsform von 1 sind die inneren Schichten so gestaltet, dass sie die Festigkeit aufrechterhalten, während die äußeren Schichten so gestaltet sind, dass sie die Wärme absorbierenden Funktionen, welche den Wärme ableitenden thermischen Schutzmaterialien innewohnen, erbringen.
Die 3 zeigt das Fasersubstrat von 2, welches durch Vernähen weiter behandelt wurde. Die Schichten aus Stapelfasermatten, die äußeren Schichten (Schichten 2a, b, c) werden miteinander und mit den gewebten Faserstoffschichten auf der Innenseite des Substrats (Schichten 2n-1, 2n) vernäht. Das Vernähen besitzt zwei vorteilhafte Wirkungen auf das thermi sche Schutzmaterial. Zuerst werden die Fasern einer Schicht in eine Richtung orientiert, die quer zur Ebene verläuft, der z-Richtung, und dabei nimmt die Festigkeit der Struktur in der Richtung zu, die quer zur Ebene verläuft. Diese zusätzliche Festigkeit in der Richtung quer zur Ebene verbessert die Unversehrtheit des thermischen Schutzmaterials während der extremen Bedingungen der Temperatur und der Windscherkräfte, zum Beispiel während des Wiedereintritts. Zum zweiten dient das Vernähen dazu, die Porosität der Struktur in der z-Richtung zu erhöhen, eine Eigenschaft, welche für den Wärme ableitenden Prozess von Vorteil ist, da er einer erhöhten Freisetzung und Transpiration der während des Wiedereintritts durch das Wärme ableitende Material erzeugten Gase Rechnung trägt.
4 zeigt, auf welche Weise das Nähen die gegenseitige Verbundenheit der Schichten erhöht, indem es einzelne Fasern durch und zwischen die Ebene der Stoffschichten treibt. Die Nadeln 6 sind in einem Nadelbrett 12 enthalten, welches eine Mehrzahl einzelner Nadeln enthält. Da einige Schichten, welche das Substrat umfassen, zwischen der Arbeitsplatte (stripper plate) 16 und der Bodenplatte 14 geführt werden, werden die Nadeln durch die Schichten hindurch getrieben. Die Nadeln besitzen Zacken 8, welche einzelne Fasern ergreifen und sie in eine Richtung quer zur Ebene zwingen, in die z-Richtung, und so die Fasern entlang der Ebene neu ausrichten. Sobald die Nadel zurückgezogen wird, verbleibt die Faser in der z-Richtung, und eine Einstichstelle in dem Stoff von annähernd der Größe der Nadel verbleibt in dieser Richtung.
Die Wirkung des Nähens, wie vorstehend dargestellt, besteht darin, die Stärke der laminierten Schichten in der z-Richtung zu erhöhen, d.h. zwischen den Schichten, um somit dem dreidimensionalen Substrat eine zusätzliche Einheitlichkeit (addi tional integrity) zu geben. Darüber hinaus werden die sich ergebenden Löcher zu Austrittswegen für die Freisetzung der Gase in der z-Richtung. Dies erhöht die Effektivität des Wärmeableitungs-Verfahrens des thermischen Schutzmaterials.
5 ist ein Carbonfaser-Substrat, das dem in 1 gezeichneten ähnlich ist und die gewebten Fasern 2 zeigt, welche in den Richtungen der Ebene (x und y) verlaufen. Die Porenräume 4 sind hervorgehoben und erscheinen als hellere Flächen. Die relative Größe der Porenräume entspricht der Größe des Leervolumens im Substrat, welches wiederum ein Maß für die Menge des Wärme ableitenden Harzes ist, welches das Substrat enthalten kann. Je größer die Menge des Harzes ist, welche das Substrat enthält, desto größer ist die Menge des Gases, welches das Harz erzeugen kann, das wiederum eine größere Kühlung für das Wärme ableitende Material bereitstellen kann.
Da die Temperatur des thermischen Schutzmaterials über den Punkt hinaus steigt, an dem die Verdampfung und die Pyrolyse auftritt, verdampft das Harz, das innerhalb des Substrats enthalten ist, und erzeugt einen inneren Druck, der freigesetzt werden muss. Die Transpirationswege sind wesentlich für die Entspannung dieses zerstörenden, inneren Drucks. Darüber hinaus muss das Gas an die Oberfläche gleichmäßig abgegeben werden, so dass die kühlenden Wirkungen des Gases gut über die Oberfläche verteilt werden. Diese Austrittswege (pathways), welche im Substrat vorhanden sind, um das Gas freizusetzen, welche durch die Wirkungen des Nähens verstärkt werden, sind daher wichtige Gesichtspunkte der Erfindung.
Eine andere Ausführungsform dieser Erfindung besteht darin, ein Bandmaterial aus Carbonstoff (carbon fabric) mit dem Silizium tragenden RTV herzustellen, das auf der Stoffoberfläche imprägniert ist. Dieses Material kann dann unter Verwendung von Wärme und Druck laminiert werden, um einen strukturellen, faserverstärkten Bestandteil mit dem Silizium-Schutzschema (silicon protection scheme) zu bilden, das bereits vorhanden ist. Dies ist ein Verfahren, das keine C-C Verarbeitung (d.h. Verkohlung und Verdichtung) erfordern würde.
Eine weitere Ausführungsform wird unter Verwendung eines Verfahrens zum dreidimensionalen Flechten hergestellt, das als ineinander greifendes Flechten vieler Schichten (multilayer interlock braiding) bekannt ist. Die Vorteile dieses Verfahrens liegen darin, dass die Faser nicht nur in den Richtungen x, y der Ebene einer zweidimensionalen Webung orientiert sind, sondern auch in einer dritten z-Richtung, welche dazu dient, der Struktur eine größere, gegenseitige Vernetzung und mechanische Festigkeit in der z-Richtung zu geben. Schwankungen im Leervolumen und in der Dichte können entlang der Dicke t des Substrats durch dieses Verfahren bis zu einem Ausmaß erreicht werden, welches der in der vorstehenden 1 gezeigten Ausführungsform ähnlich ist.
Während das Flechtverfahren des Ineinandergreifens vieler Schichten (multilayer interlock braiding) eine Struktur mit verbesserter Festigkeit und Einheitlichkeit in der z-Richtung erzeugt, liefert sie ebenso gleichförmigere Flusswege für die Freisetzung und die Transpiration der Gase, welche in dem Wärmeableitungs-Prozess während des Wiedereintritts erzeugt werden. Die verbesserte Eigenschaft, Gase freizusetzen, ist ein Vorteil dieser dreidimensional gewebten Ausführungsform der Erfindung. Die Fähigkeit der Struktur, Gase freizusetzen und zu transpirieren, kann auch durch weiteres Vernähen der Struktur in der z-Richtung verbessert werden. Zu diesem Zweck kann die Struktur auch genäht werden.
IMPRÄGNIERUNG, CARBONISIERUNG UND VERDICHTUNG DES SUBSTRATS
Entsprechend der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Carbonfasersubstrat wie vorstehend hergestellt und mit einer Lösung eines Phenol- oder Epoxidharzes imprägniert, das einen hohen Carbongehalt und einen niedrigen Aschewert besitzt. Das verwendete Imprägnierungsverfahren ist als das Harzübertragungs-Formgebungs-Verfahren (resin transfer moding process, RTM) bekannt.
Es gibt einige Harz-Zubereitungen, welche bei der Herstellung von C-C Verbundmaterialien verwendet werden können. Ihnen allen gemeinsam ist ein hoher Carbonanteil. Diese umfassen SC1008 Phenolharz, hergestellt von Monsanto. Und ebenso, wie in dem U.S. Patent 5,536,562 verwiesen, gibt es ein Novolak-Material auf Epoxidbasis, das von Dow Chemical erhältlich ist, sowie andere.
Dieses in 6 dargestellte Verfahren beinhaltet die Verwendung entweder eines noch neuen oder eines teilweise verdichteten C-C Substrats und dessen Einsetzen in ein RTM-Werkzeug (oder Spritzform) 22 und das Entfernen von Luft aus dem System mittels einer Vakuumpumpe 24. Eine Harz-Zubereitung, wie zum Beispiel SC1008 oder Novolak, wie vorstehend erwähnt, wird in einen Nachschubbehälter gegeben. Lösungsmittel, wie zum Beispiel Toluol, können für bestimmte, ausgewählte Harze erforderlich sein, um eine gewünschte Viskosität zu erreichen.
Der Druck wird dann an dem Nachschubbehälter 20 auf 55 psi (+/– 15 psi) erhöht, und dadurch das C-C Substrat mit Harz unter Druck imprägniert, in einer Weise, welche ein vollständiges Eindringen des Harzes in alle Leerräume des Substrats ge währleistet. Der Druck wird über die Verarbeitungszeit des Harzes hinaus gehalten.
Nach erfolgter Imprägnierung lässt man überschüssige Harzlösung abfließen. Die Härtung wird entweder bei Umgebungsbedingungen bewerkstelligt, oder bei gemäßigten Temperaturen, in Abhängigkeit von den Empfehlungen des Herstellers für ein bestimmtes Harz. Das Teil wird anschließend aus der Spritzform 22 entfernt und kann weiter bei 150°C oder bei Raumtemperatur für einen angemessenen Zeitraum gehärtet werden.
Nach dem Entfernen des Lösungsmittels und dem Härten bleiben die Carbonfasern des Substrats mit einer gleichförmigen Beschichtung des Harzes zurück. Der Harzüberzug bildet eine Carbon/Harz-Matrix über das gesamte Carbonfaser-Substrat.
Das Substrat wird anschließend bei einer Temperatur von mehr als 500°C für einen Zeitraum von 2 bis 24 Stunden behandelt, weil ein solcher Zeitraum ausreichend ist, um die Harzmatrix zu reinem Carbon zu zersetzen. Dieses Verkohlungsverfahren führt zu einem versteiften Carbonfaser-Substrat, welches durch eine Matrix von Carbon verstärkt wird. Das sich ergebende Material ist als ein Carbon-Carbon (C-C) Substrat bekannt. Die Verkohlungszyklen können wiederholt werden, um eine durchschnittliche Dichte des C-C Substrats von 1,1 bis 1,5 g/cm³ zu erreichen. Die Dichte des Substrats vor der schließlichen Imprägnierung mit dem RTV wird an den inneren Schichten jedoch größer sein als an den äußeren Schichten des C-C Substrats.
Das versteifte C-C Substrat wird durch eine zunehmende Festigkeit und Dichte gekennzeichnet, verglichen mit dem nicht verkohlten Carbonfaser-Substrat. Der Verkohlungszyklus kann wiederholt werden, um die gewünschten Eigenschaften der Festig keit, der Dichte und des Leervolumens zu erreichen. Um darüber hinaus zur Festigkeit beizutragen, besitzt die äußere Kohlenschicht die Eigenschaft einer hochgradig feuerfesten Oberfläche eines Isolationsmaterials. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet zwei Verkohlungszyklen vor der Imprägnierung mit RTV.
Nach dem Verkohlen wird das C-C Substrat unter Verwendung des RTM-Verfahrens mit einem Wärme ableitenden Harz auf Siliziumbasis imprägniert. Das Wärme ableitende Harz besitzt Silizium als eines seiner Hauptelemente. Das C-C Substrat wird unter Anwendung des RTM-Verfahrens imprägniert, das überschüssige Harz lässt man abfließen und das imprägnierte Substrat wird gehärtet, um eine Harzmatrix zu bilden, welche die Leerräume des C-C Substrats bis zu 99% ausfüllt. Die Wärme ableitenden Harze auf Siliziumbasis, die für die Verwendung geeignet sind, umfassen einige der Harze vom RTV-Typ, die von General Electric und/oder anderen Herstellern erhältlich sind. Bei der Auswahl eines alternativen Wärme ableitenden Harzes auf Siliziumbasis soll das Silizium vorzugsweise nicht in Form von Siliziumdioxid vorliegen.
Die RTV-Harze können RTV-11, 12, 31 und 615 umfassen, die alle von General Electric Corp. hergestellt werden. Die Viskositäten dieser Harze liegen im Bereich von 1,500 bis 25,000 cps. Mit zunehmender Viskosität der RTV-Harze können diese mit Toluol verdünnt werden, um die Viskosität auf eine Stufe zu senken, auf der das RTM-Verfahren effektiv arbeitet. Die Härtezeiten liegen im Bereich von 2 Stunden bis 7 Tage; und die Härtetemperaturen liegen im Bereich von der Umgebungstemperatur bis 150°C. Die Dichten dieser Harze liegen im Bereich von 1,00 g/cm³ bis 1,42 g/cm³.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung verwendet keine anfängliche Harzimprägnierung und Verkohlungszyklen vor der Imprägnierung mit dem RTV-Harz auf Siliziumbasis. Vielmehr wird das Carbonfaser-Substrat mit RTM mit dem Wärme ableitenden Harz auf Siliziumbasis imprägniert und gehärtet, so dass sich ein Carbonfaser-Substrat ergibt, das durch die Anwendung und das Härten des Wärme ableitenden Siliziumharzes versteift wird. Für alle Ausführungsformen aber wird das RTV-Harz gehärtet, jedoch nicht verkohlt, so dass keine SiC- oder SiO₂-Erzeugung vor dessen Beanspruchung aufgrund der hohen Wärmebelastungen beim Wiedereintritt auftritt.
T-FORMENDE TECHNOLOGIEN UND BEFESTIGEN DER ISOLIERUNG
Die Wärme ableitenden C-C Verbundmaterialien dieser Erfindung können bei der Herstellung neuer und nützlicher struktureller Anordnungen verwendet werden. Die leichtgewichtigen, festen und schützenden Verbundmaterialien dieser Erfindung können in einer solchen Weise und Anordnung hergestellt werden, dass sie verbesserte Verfahren bereitstellen, um Isolierungsmaterialien an der Rückseite des thermischen Schutzmaterials einzubauen.
7 zeigt vier Verfahren des T-Formens, welches dazu verwendet werden kann, unterschiedliche Anordnungen zu erreichen. In jeder Zeichnung werden einzelne Carbonfasern 26 durch die Faserquerfläche des Substrats 30 eingeführt und in die spitze Kante des Trägerelements 28. Das Ergebnis ist eine nicht imprägnierte Carbon-Verbundmaterial-Vorform 32 in Gestalt einer T-förmigen Verbindung 32 (8), eines I-förmigen Balkens 38 oder einer gefalteten Vorform 36. Das Ergebnis der T-Bildung ist die Schaffung einer verstärkten Vorform-Struktur, wobei die Verstärkungsfasern 26 mit Harz imprägniert sind und zu einem Teil der versteiften Endstruktur werden. Darüber hinaus erzeugt die Einführung von Fasern 26 Austrittswege (pathways) für die Freisetzung und Transpiration von Gasen, die während der Wärmeableitung erzeugt werden.
Die Herstellung solcher verschiedener Vorform-Anordnungen (preform configurations) kann auf unterschiedlichen Stufen der Herstellung des thermischen Schutzmaterials erfolgen. Zum Beispiel können zwei Carbonfaser-Strukturen in einer T-förmigen Anordnung vor der anfänglichen Imprägnierung und dem Verkohlen verbunden werden. Dies führt zu einer Struktur, welche gleichförmig versteift und verkohlt wird.
8 zeigt das T-bildende Verfahren in Verbindung mit dem RTM-Imprägnierungsverfahren. Eine verstärkte Vorform wird durch Laminieren von Schichten gewebter und/oder nicht gewebter Faserstoffe (oder dreidimensionaler Verwebungen eines Fasersubstrats) erzeugt, um zwei Bestandteile zu ergeben – ein Hauptsubstrat 30 und ein Trägerelement 28. Das Trägerelement 28 wird in das RTM-Werkzeug 22 gegeben, und das Hauptelement 30 über dem Trägerelement 28 angeordnet. Das Hauptelement 30 wird mit dem Trägerelement 28 verbunden, indem einzelne Fasern 26 eines Materials unter Verwendung eines Stechwerkzeugs 36 eingeführt werden, die dem Substrat ähnlich sind. Die Stiche werden in einer Richtung geführt, welche parallel zur Richtung der Fasern in dem Trägerelement 28 ist. Wie aus 7 ersehen werden kann, können die Stiche 26 auch in einem Winkel zum Trägerelement orientiert werden.
Nachdem die zwei Elemente 28, 30 durch einzelne Fasern 26 verbunden wurden, wird das RTM-Werkzeug 22 abgedichtet und die Luft wird durch Anlegen von Vakuum an das System evakuiert. Die Harzlösung wird anschließend in das RTM-Werkzeug aus dem Harz-Vorratsgefäß 20 unter Druck zugeführt (annähernd 55 psi, +/– 15 psi).
9 zeigt die bevorzugte Ausführungsform, bei der ein Wärme ableitendes C-C Verbundmaterial mit dem T-bildenden Verfahren vereinigt wird, um eine Struktur eines thermischen Schutzmaterials zu erzeugen, welche die Isolierung und die gewinkelten Träger eingebaut enthält, welche dann mit der Luftschale des Fahrzeugs verbunden werden.
Die bevorzugte Ausführungsform dieser Erfindung verwendet das T-bildende Verfahren, um Trägerelemente 38 zu befestigen, die aus einer Reihe von annähernd rechten Winkeln in solch einer Weise bestehen, dass die Winkelecke gegenüber der Rückseite des thermischen Schutzmaterials 30 angeordnet ist, und so zwei Trägerelemente bildet, welche von der Rückseite des thermischen Schutzmaterials zur Oberfläche der Luftschale in einem Winkel von annähernd 45° in Bezug auf die Rückwand weisen. Die Trägerelemente wiederholen sich in einer Weise, die ähnlich einer gefalteten Struktur ist, so dass der Punkt, an dem sich zwei benachbarte Trägerelemente treffen, an der Luftschale einen annähernd rechten Winkel bildet, welcher der Rückseite des thermischen Schutzmaterials zugewandt ist. Das Isolierungsmaterial wird an der Rückseite des thermischen Schutzmaterials und den Trägerelementen befestigt, um einen zusätzlichen thermischen Schutz für das Fahrzeug bereitzustellen.
Andere Ausführungsformen sind in 10 gezeigt, wobei ein Trägerelement 28 an der Luftschale 40 befestigt ist, und der darunter erzeugte Raum wird mit einem Isolierungsmaterial 34 gefüllt. Das Isolierungsmaterial kann eines der folgenden Materialien sein: Aerogel von Southern Research Institute; Fiberfoam von Fiber Materials, Inc., oder ein anderes geeignetes Isolierungsmaterial, das im Stand der Technik bekannt ist.
Die Wärme ableitenden C-C-Verbundmaterialien dieser Erfindung tragen einer erhöhten Festigkeit und Oxidationsbeständigkeit Rechnung, bei einem geringeren Gewicht und geringeren Kosten, verglichen mit anderen, im Stand der Technik erhältlichen Wärme ableitenden C-C Materialien. Die Eigenschaften der Erfindung umfassen eine variable Dichte und Festigkeit, zusammen mit einem erhöhten Leervolumen und der Fähigkeit, Wärme ableitende Harze aufzunehmen, sowie eine verbesserte Fähigkeit, die durch die Wärme ableitenden Harze während des Wiedereintritts erzeugten Gase freizusetzen. Ebenso nutzt das System die Festigungs-, Schutz- und Reparatur-Mechanismen des Wärme ableitenden Systems aus Carbon-Carbon und Silizium, welches dahingehend wirkt, die zerstörenden Wirkungen großer Hitze und Oxidation herabzusetzen.
Obwohl bevorzugte Ausführungsformen offenbart und hier in Einzelheiten beschrieben wurden, soll ihr Umfang nicht dadurch beschränkt werden, sondern ihr Umfang soll vielmehr durch die anhängenden Ansprüche bestimmt werden.

Claims

Thermisches Schutzsystem zum Schutz einer Oberfläche, die einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, umfassend: ein Fasersubstrat mit einer Aussenseite und einer entgegengesetzten Innenseite, wobei die Aussenseite von der Oberfläche weg zeigt, und wobei die Innenseite zur Oberfläche hin zeigt; wobei das Substrat eine variable Faserdichte besitzt, und diese Faserdichte in einer Richtung zunimmt, die von der Aussenseite zur Innenseite verläuft, wobei das Fasersubstrat ein C-C Wärme-absorbierendes Verbundmaterial (composite ablator) ist, das ein versteiftes Carbonfaser-Substrat umfasst, welches mit einer Carbonmatrix verstärkt wird, und mit einem Wärme-absorbierenden Harz auf Silikonbasis imprägniert wird.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei die Fasern aus Carbon, Graphit, Siliziumcarbid oder Keramik gemacht sind.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei das Faser-Substrat aus einer Mehrzahl von Schichten eines gewebten Stoffes zusammengesetzt ist.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei das Faser-Substrat aus einer Mehrzahl von Schichten eines nichtgewebten Stoff es zusammengesetzt ist.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei das Faser-Substrat aus einer Mehrzahl von Schichten einer Kombination eines nicht-gewebten und eines gewebten Stoffes zu sammengesetzt ist.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei das Faser-Substrat durch ein dreidimensionales Webverfahren gebildet wird.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 1, wobei das Faser-Substrat miteinander laminiert wird.
Thermisches Schutzsystem nach den Ansprüchen 1, 2, 3, 4, 5, 6 oder 7, wobei das Faser-Substrat in senkrechter Richtung genäht wird, und diese Richtung von einer Aussenseite zur Innenseite oder umgekehrt verläuft.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 8, wobei das Faser-Substrat eine Innenseite und eine Aussenseite besitzt, welche entgegengesetzt zur Innenseite angeordnet ist, und dieses Faser-Substrat mit einem Trägerelement verbunden ist, das aus Fasern zusammengesetzt ist, wobei das Trägerelement eine erste Seite und eine zweite Seite besitzt, welche entgegengesetzt zur ersten Seite angeordnet ist, wobei die Fasern dieses Trägerelementes in einer Richtung orientiert sind, die parallel zu den ersten und zweiten Seiten verläuft, wobei dieses Trägerelement an die Innenseite des Substrats angrenzt und die erste und zweite Seite des Trägerelements in einem Winkel zwischen 0° und 180° zu dem Substrat angeordnet sind, wobei das Trägerelement mit dem Substrat durch Einsetzen von einzelnen Verstärkungsfasern verbunden ist, wobei diese Verstärkungsfasern zuerst durch die Aussenseite des Substrats eintreten und anschließend das Substrat durch die Innenseite verlassen, und schließlich in das Trägerelement gelangen.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Substrat mit einem organischen Harz imprägniert ist, und das Harz einen hohen Carbon-Anteil besitzt und mindestens ein mal verkohlt wird, um eine Umsetzung des Harzes zu Carbon zu erreichen.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 10, wobei das Harz ein Harz vom RTV-Typ ist.
Thermisches Schutzsystem zum Schutz einer Oberfläche, die einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt ist, umfassend: ein Faser-Substrat mit einer Aussenseite und einer entgegengesetzten Innenseite, wobei die Aussenseite von der Oberfläche weg zeigt, und wobei die Innenfläche zur Oberfläche hin zeigt, und wobei das Substrat in einer Richtung genadelt wird, die senkrecht zur Ebene der Innenseite und der Aussenseite verläuft, wobei das Faser-Substrat ein C-C Wärme-absorbierendes Verbundmaterial ist, das ein versteiftes Carbonfaser-Substrat umfasst, welches durch eine Carbonmatrix verstärkt wird und mit einem Wärmeabsorbierenden Harz auf Silikonbasis imprägniert wird.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 12, wobei die Fasern aus Carbon, Graphit, Silizium-Carbid oder Keramik bestehen.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 12, wobei das Faser-Substrat aus einer Mehrzahl von Schichten eines gewebten Stoffes zusammengesetzt ist.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 12, wobei das Faser-Substrat aus einer Mehrzahl von Schichten eines nichtgewebten Stoffes zusammengesetzt ist.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 12, wobei das Faser-Substrat aus einer Mehrzahl von Schichten einer Kombination eines nicht-gewebten und eines gewebten Stoffes zusammengesetzt ist.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 12, wobei das Faser-Substrat durch ein dreidimensionales Webverfahren gebildet wird.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 12, wobei das Faser-Substrat miteinander laminiert wird.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 12, wobei das Harz ein Harz vom RTV-Typ ist.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 12, wobei das Faser-Substrat eine Innenseite und eine Aussenseite besitzt, welche entgegengesetzt zur Innenseite angeordnet ist, und dieses Faser-Substrat mit einem Trägerelement verbunden ist, das aus Fasern zusammengesetzt ist, wobei das Trägerelement eine erste Seite und eine zweite Seite besitzt, welche entgegengesetzt zur ersten Seite angeordnet ist, wobei die Fasern des Trägerelementes in einer Richtung orientiert sind, die parallel zu den ersten und zweiten Seiten verläuft, wobei das Trägerelement an die Innenseite des Substrats angrenzt und die erste und zweite Seite des Trägerelements in einem Winkel zwischen 0° und 180° zu dem Substrat angeordnet sind, wobei das Trägerelement mit dem Substrat verbunden ist, umfassend das Ein setzen von einzelnen Verstärkungsfasern, wobei die Verstärkungsfasern zuerst durch die Aussenseite des Substrats eintreten und anschließend das Substrat durch die Innenseite verlassen, und schließlich in das Trägerelement gelangen, in einer Richtung, die parallel zur Orientierung der Fasern im Trägerelement verläuft.
Thermisches Schutzsystem nach Anspruch 20, wobei das Substrat mit einem Isolationsmaterial kombiniert wird, das auf der Innenseite dieses Substrats befestigt wird.