DE68916086T2

DE68916086T2 - Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundstoffen.

Info

Publication number: DE68916086T2
Application number: DE68916086T
Authority: DE
Inventors: Yasuji Ido; Toshinori Nakamura; Yoshio Sohda; Takeshi Suemitsu
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd; Nippon Oil Corp
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1988-04-01
Filing date: 1989-03-31
Publication date: 1994-09-29
Anticipated expiration: 2009-04-01
Also published as: DE68916086D1; EP0335736A2; JPH0476342B2; EP0335736A3; JPH01252577A; EP0335736B1; US5057254A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffes
Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffe haben die einzigartigen Eigenschaften, sogar bei hohen Temperaturen über 1.000 ºC hohe Festigkeit und ein hohes Elastizitätsmodul beizubehalten und einen kleinen thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu haben, und sollen als Komponenten von Luft- und Raumfahrzeugen und als Material für Bauteile, Bremsen und Kessel eingesetzt werden.
Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffe werden hergestellt durch Hitzebehandlung von Kohlenstoff-Fasern zusammen mit einem carbonisierbaren Material (Matrix) wie Phenol oder Pech. Ein kohlenstoffhaltiges Pech ist aufgrund seiner hohen Carbonisierungsausbeute sehr bevorzugt als Matrixmaterial eines Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffs, aber es dehnt sich während der Carbonisierung aus und bildet Fehlstellen in der Matrix, so daß in der eigentlichen Herstellung ein Zyklus von Imprägnierung und Carbonisierung wiederholt wird. Auf der anderen Seite wurde, um eine hohe Carbonisierungsausbeute zu erhalten, ein Verfahren entwickelt, in dem die Carbonisierung unter heißem isostatischem Pressen (HIP) ausgeführt wird. Nach allgemeiner Anschauung jedoch werden, sogar wenn dieses HIP angewandt wird, typischerweise fünf bis acht Imprägnierungs-Druckcarbonisierungs-Zyklen benötigt werden. Diese Wiederholung des Imprägnierungs-Druckcarbonisierungs-Zyklus führt zu einem komplizierten Herstellungsverfahren, weswegen längere Zeiten und höhere Kosten anfallen.
DE 2714364 beschreibt kohlenstoffaserverstärkte, kohlenstoffhaltige Massen, die durch Mischen von Kohlenstoffasern mit einem einen Hauptanteil an Zwischenphase bilden- dem Binder gefolgt von Carbonisierung bei 400 bis 1.000 ºC unter Druck gebildet werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Es ist weiter ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein einfaches Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffen zur Verfügung zu stellen, die überlegen sind in bezug auf Festigkeit und Formbarkeit, und die das Formen in komplizierte Konturen von Teilen gestatten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffen zur Verfügung gestellt, das (a) den Erhalt eines primär geformten Produktes durch Hitzebehandlung einer Matrix aus carbonisierbarem Material und Kohlenstoffasern auf Pech-, Polyarylnitril- oder Viskosefaserbasis durch uniaxiales Pressen zur Carbonisierung oder Graphitisierung, (b) Imprägnierung des Produktes von (a) mit einem carbonisierbaren Material, (c) Hitzebehandlung des Produktes von (b) unter heißem isostatischem Pressen und (d) falls notwendig, Carbonisierung oder Graphitisierung des Produktes von (c) umfaßt.
Das primär geformte Produkt kann durch Imprägnieren eines Kabels aus Kohlenstoffasern mit einem carbonisierbaren Material erhalten werden, wobei das so imprägnierte Kabel unschmelzbar gemacht und anschließend das so unschmelzbar gemachte Kabel unter uniaxialem Pressen zur Carbonisierung oder Graphitisierung hitzebehandelt wird.
Alternativ kann das primär geformte Produkt durch Kombination eines Kabels aus Kohlenstoffaser mit unschmelzbar gemachten Fasern oder sowohl unschmelzbar gemachten Fasern als auch einem carbonisierbaren Material und durch Hitzebehandlung des so kombinierten Materials unter uniaxialem Pressen zur Carbonisierung oder Graphitisierung erhalten werden.
Gemäß eines zweiten erfindungsgemäßen Aspektes wird eine Abänderung des ersten Aspekts der Erfindung zur Verfügung gestellt, in der das Produkt von (a) durch Imprägnieren von Kohlenstoffasern mit einem hitzehärtbaren Harz und Hitzebehandlung der so imprägnierten Kohlenstoffasern unter Pressen zur Carbonisierung oder Graphitisierung erhalten wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFlNDUNG

Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffmaterials wird im folgenden detaillierter beschrieben.
Mit "Kohlenstoffasern", auf die hier Bezug genommen wird, sind Kohlenstoffasern auf Pech-, Polyacrylnitril- oder Viskosefaserbasis, vorzugsweise auf Pechbasis, üblicherweise in dem Bereich von 5 bis 100 um im Durchmesser gemeint. Die "Kohlenstoffasern auf Pechbasis" werden durch Schmelzspinnen eines kohlenstoffhaltigen Pechs und, dem Unterwerfen der erhaltenen Pechfasern und das Unschmelzbarmachen, die Carbonisierung und, falls notwendig, die Graphitisierung erhalten.
Die Kohlenstoffasern werden üblicherweise als Kabel aus 500 bis 100.000 Filamenten verwendet, die typischerweise in eine zwei- oder dreidimensionale Form gebracht werden, wie beispielsweise in ein unidirektionales Laminat, ein zweidimensionales Gewebe oder eine Schicht daraus, ein drei- oder mehrdimensionales Gewebe oder ein in Form einer Matte oder eines Filzes ausgebildeten Produkts.
Die Kohlenstoffasern werden imprägniert oder mit einem carbonisierbaren Material als Matrixvorläufer, wie einem kohlenstoffhaltigen Pech, einem phenolischen Harz oder einem Furanharz gemischt, gefolgt von Hitzebehandlung unter Druck, um das primär geformte Produkt zu erhalten. Während dieses Vorganges und/oder anschließend wird diese Matrix aus carbonisierbarem Material hitzebehandelt, wie vulkanisiert, nachgehärtet, vorcarbonisiert, carbonisiert oder graphitisiert.
Die obige Hitzebehandlung unter Druck wird üblicherweise unter Verwendung einer uniaxialen Presse zum Anlegen des Drucks wie einer Heißpresse oder eines Autoklaven durchgeführt, wobei die erste besonders bevorzugt ist.
Im anschließenden wird der Fall erklärt, in dem ein primär geformtes Produkt unter Verwendung einer Matrix, ausgehend von einem kohlenstoffhaltigen Pech als der Matrix aus carbonisierbarem Material erhalten werden soll. Mit "Matrix ausgehend von einem kohlenstoffhaltigen Pech" ist ein kohlenstoffhaltiges Pech oder ein carbonisierbares Material gemeint, welches aus einem kohlenstoffhaltigen Pech, wie Material oder Fasern erhältlich ist, die durch Unschmelzbarmachen des kohlenstoffhaltigen Peches erhalten wurden.
Der Begriff "kohlenstoffhaltiges Pech", auf den hier Bezug genommen wird, meint ein Kohle- oder Petroleumpech, das einen Erweichungspunkt von 100 ºC bis 400 ºC, vorzugsweise 150 ºC bis 350 ºC hat. Sowohl optisch-isotrope als auch anisotrope Peche sind verwendbar, ein optisch-anisotropes Pech mit einem optisch-anisotropen Phasengehalt von 60 bis 100 Vol.-% ist jedoch besonders bevorzugt.
Der Begriff "unschmelzbar gemachte Fasern", auf den hier Bezug genommen wird, meint Fasern, die durch Unschmelzbarmachen von Pechfasern erhalten werden, wobei die Pechfasern durch Schmelzspinnen des kohlenstoffhaltigen Pechs über ein bekanntes Verfahren erhalten werden und einen durchschnittlichen Durchmesser im Bereich von 5 bis 100 um, vorzugsweise 7 bis 30 um aufweisen. Diese Behandlung zum Unschmelzbarmachen kann in einer oxidierenden Gasatmosphäre bei 5 bis 400 ºC, vorzugsweise 100 bis 350 ºC durchgeführt werden. Als oxidierendes Gas können Luft, Sauerstoff, Stickstoffoxide, Schwefeloxide, Halogene oder Mischungen derselben verwendet werden. Die Behandlungszeit liegt üblicherweise im Bereich von 10 Minuten bis 20 Stunden.
Im folgenden werden als konkretes Beispiel des Verfahrens zur Herstellung eines geformten Produkts unter Verwendung eines solchen kohlenstoffhaltigen Pechs oder einer daraus abgeleiteten Matrix aufgeführt:
(1) Ein Verfahren, bei dem ein Kabel aus den Kohlenstoffasern mit dem kohlenstoffhaltigen Pech imprägniert und in dem das so imprägnierte Kabel zum Erhalt des primär geformten Produkts unter uniaxialem Pressen carbonisiert wird,
(2) ein Verfahren, bei dem ein Kabel aus den Kohlenstoffasern mit dem kohlenstoffhaltigen Pech imprägniert, das so imprägnierte Kabel unschmelzbar gemacht und dann zum Erhalt des primär geformten Produktes unter uniaxialem Pressen carbonisiert oder graphitisiert wird, sowie
(3) ein Verfahren, bei dem ein Kabel aus Kohlenstoffasern nur mit den unschmelzbar gemachten Fasern oder sowohl mit den unschmelzbar gemachten Fasern als auch dem kohlenstoffhaltigen Pech als Matrixvorläufer laminiert wird, gefolgt von der Carbonisierung oder Graphitisierung unter uniaxialem Pressen zum Erhalt des primär geformten Produkts.
Gemäß Verfahren (1) wird ein Kabel aus Kohlenstoffasern, beispielsweise ein zweidimensionales Gewebe oder ein Laminat daraus, ein drei- oder mehrdimensionales Gewebe, ein Filz oder eine Matte, mit dem kohlenstoffhaltigen Pech imprägniert. Die Imprägnierung wird durch Hitzeschmelzen des kohlenstoffhaltigen Pechs erzielt. In diesem Fall kann die Viskosität bei der Imprägnierung durch Drosselung unter Verwendung eines Lösungsmittels reduziert werden. Beispiele für das Lösungsmittel umfassen aromatische Kohlenwasserstoffe, Pyridin und Chinolin. Das so imprägnierte Kabel wird zum Erhalt des primär geformten Produktes unter uniaxialem Pressen hitzebehandelt (carbonisiert).
Gemäß Verfahren (2) wird das obige imprägnierte Kabel unschmelzbar gemacht. Diese Behandlung zum Unschmelzbarmachen kann in einer oxidierenden Gasatmosphäre bei 50 bis 400 ºC, vorzugsweise 100 bis 350 ºC, durchgeführt werden. Als oxidierendes Gas kann Luft, Sauerstoff, Stickstoffoxid, Schwefeloxid, Halogen oder eine Mischung derselben verwendet werden. Das Unschmelzbarmachen kann bis in das Zentrum des imprägnierten Kabels hinein durchgeführt werden, oder es kann in einem solchem Ausmaß ausgeführt werden, daß die Form des imprägnierten Kabels bei der anschließenden Carbonisierungsbehandlung beibehalten werden kann. Das so unschmelzbar gemachte imprägnierte Kabel aus Kohlenstoffasern wird dann unter uniaxialem Pressen zum Erhalt des primär geformten Produktes hitzebehandelt (carbonisiert).
Gemäß Verfahren (3) wird ein Kabel aus Kohlenstoffasern mit den unschmelzbar gemachten Fasern oder sowohl den unschmelzbar gemachten Fasern und als auch dem kohlenstoffhaltigen Pech laminiert und anschließend unter uniaxialem Pressen hitzebehandelt (carbonisiert). Beispielsweise werden die unschmelzbar gemachten Fasern oder eine Mischung derselben mit kohlenstoffhaltigem Pech zum Erhalt eines Laminats zwischen zweidimensionale Gewebe aus Kohlenstoffasern eingespannt, dann wird die benötigte Anzahl solcher Laminate aufeinandergelegt, gefolgt von Heißpressen. Die unschmelzbar gemachten Fasern oder das kohlenstoffhaltige Pech können, falls notwendig, vorher pulverisiert werden.
Das Mischungsverhältnis der unschmelzbar gemachten Fasern zu dem kohlenstoffhaltigen Pech beträgt 100 Gewichtsanteile zu 10 - 500, vorzugsweise zu 30 - 300 Gewichtsanteilen, wobei das Mischungsverhältnis der Kohlenstoffasern zu den Matrixausgangsmaterialien (den unschmelzbar gemachten Fasern oder sowohl den unschmelzbar gemachten Fasern als auch dem kohlenstoffhaltigen Pech) 100 Gewichtsanteile zu 10 - 500, vorzugsweise 30 - 300 Gewichtsanteilen beträgt.
Die Hitzebehandlung unter uniaxialem Pressen kann bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 2.000 ºC, vorzugsweise 500 bis 1.000 ºC, unter einem Druck in dem Bereich von 490 bis 49.033 kPa (5 bis 500 kg/cm²), vorzugsweise 980 bis 9.806 kPa (10 bis 100 kg/cm²) unter Verwendung einer Heißpresse durchgeführt werden.
Wenn ein hitzehärtbares Harz als Matrix aus carbonisierbarem Material verwendet wird, wird das Kabel aus Kohlenstoffasern, wie es oben anhand von Beispielen beschrieben ist, üblicherweise mit dem hitzehärtbaren Harz imprägniert, und dann wird das so imprägnierte Kabel nach dem Trocknen, falls notwendig, bei Raumtemperatur bis hinauf zu mehreren 100 ºC zum Erhalt des primär geformten Produkts unter heißem Pressen hitzebehandelt (vulkanisiert oder nachgehärtet, falls notwendig). Bei der Imprägnierung kann die Viskosität durch Drosselung unter Verwendung eines Lösungsmittels oder durch Erwärmen vernngert werden. Als Lösungsmittel können organische Lösungsmittel wie Methylethylketon, Methanol doer Xylol verwendet werden.
Die Hitzebehandlung wird anfänglich bei der Vulkanisiertemperatur des verwendeten hitzehärtbaren Harzes durchgeführt. Üblicherweise wird auf 100 und etliche 10 ºC unter einem Druck von einigen oder mehreren hundert Kilogramm pro Quadratzentimeter unter Verwendung einer uniaxialen Presse zum Anlegen des Druckes oder eines Autoklaven erwärmt. Falls notwendig, wird das Nachhärten bei einer Temperatur im Bereich von 50 ºC bis einigen hundert Grad Celsius durchgeführt.
Das so erhaltene primär geformte Produkt hat typischerweise die Form einer Folie. Ein Volumengehalt an Kohlenstoffasern (Vf) und ein Fehlstellenprozentsatz (Vv) wird in dem primär geformten Produkt zweckmäßigerweise bestimmt, aber diese liegen in den Bereichen von 10 bis 80 Vol.-% bzw. 5 bis 50 Vol.-%, vorzugsweise 30 bis 75 Vol.- % bzw. 8 bis 40 Vol.-%.
In den Fällen, in denen keine Carbonisierung oder Graphitisierung der Matrix stattfindet, wird das primär geformte Produkt weiter zur Carbonisierung oder Graphitisierung hitzebehandelt. Bei dieser Hitzebehandlung wird die Carbonisierung bei 600 bis 2.000 ºC, vorzugsweise 800 bis 2.000 ºC, und die Graphitisierung bei 2.000 bis 3.000 ºC durchgeführt. Anschließend wird das so hitzebehandelte primär geformte Produkt mit kohlenstoffhaltigem Pech imprägniert und das so imprägnierte primär geformte Produkt wird dann einer HIP-Behandlung unter Verwendung eines HIP-Systems unterzogen. Das für diese Imprägnierung verwendete kohlenstoffhaltige Pech ist mit dem vorher beschriebenen identisch.
Das kohlenstoffhaltige Pech wird dadurch imprägniert, daß man das Pech in der Hitze schmilzt und das geschmolzene Pech mit dem primär geformten Produkt in Kontakt bringt. Die Viskosität bei der Imprägnierung kann durch Drosselung unter Verwendung eines Lösungsmittels reduziert werden. Verwendbare Lösungsmittel umfassen aromatische Kohlenwasserstoffe, Pryridin und Chinolin. Der Imprägnierungs-HIP-Behandlungszyklus kann so oft wie gewünscht zum Zweck der Verdichtung wiederholt werden.
Während der HIP-Behandlung ist das imprägnierte, vorgeformte Produkt in einem offenen Behältnis enthalten. Der Begriff "offener Behälter" meint einen Container, der keine Abdichtfunktion hat. Das Material des Containers kann geeigneterweise aus, z.B. Metallen, wie Weichstahl und rostfreiem Stahl, Glas, Graphit oder Keramik, gemäß den Behandlungstemperaturen oder dem Verwendungszweck ausgewählt werden. Dort, wo beispielsweise das mit Hitze zu behandelnde Produkt eine große Menge ausmacht, ist es wünschenswert, ein HIP-System mit Absaugmechanismus zu verwenden, der in der Lage ist, die aus dem behandelten Produkt während des HIP entweichenden Gase kontinuierlich zu kontrollieren und abzusaugen. Insbesondere ist der Absaugmechanismus dazu in der Lage, die Menge des zu entfernenden Gases gemäß der entwickelten Menge und/oder der Diffusionsgeschwindigkeit desselben anzupassen. Der Gasabsaugmechanismus umfaßt einen Wärmetauscher zum Wärmeaustausch mit dem Gas des Druckmediums in der Aufheizapparatur wie auch einen Kühler, eine Anlage zum Druckreduzieren und ein Fließratenkontrollventil, die außerhalb des Kessels angebracht sind.
In diesem HIP-System kann die Hitzebehandlung unter Druck bei 100 bis 3.000 ºC, vorzugsweise 400 bis 2.000 ºC, unter einem Druck eines inerten Gases im Bereich von 4.903 bis 980.665 kPa (50 bis 10.000 kg/cm²), vorzugsweise 19.613 bis 196.133 kPa (200 bis 2.000 kg/cm²) durchgeführt werden. Als Druckgasmedium können inerte Gase wie beispielsweise Argon, Stickstoff oder Helium verwendet werden.
Die Carbonisierung oder Graphitisierung unter Atmosphärendruck, die der Druckcarbonisierung folgt, kann bei 400 bis 3.000 ºC in einer inerten Gasatmosphäre ausgeführt werden. Darüber hinaus kann das Verfahren, im Falle der Verwendung eines HIP- Systems mit einem Absaugmechanismus, durchgeführt werden, während die im Verlauf der Hitzebehandlung entwickelten Gase analysiert werden, wobei diese Maßnahme ein herausragendes Merkmal darstellt. Nach einer von den Erfindern durchgeführten Untersuchung ist es wünschenswert, die Hitzebehandlung so lange auszuführen, bis Gase von C&sub2; oder mehr Kohlenstoffatomen nicht mehr in wesentlichen Mengen entwickelt werden, d.h. bis die Konzentration derselben im Abgas unter 10 ppm, vorzugsweise unter 5 ppm, liegt.
Falls notwendig, kann das so unter Druck in einem HIP-System hitzebehandelte Produkt darüber hinaus sowohl der Carbonisierungsbehandlung als auch der Graphitisierungsbehandlung oder beidem unterzogen werden. Die Carbonisierungsbehandlung wird bei 600 bis 2.000 ºC, vorzugsweise 800 bis 2.000 ºC, in einem inerten Gas und die Graphitisierungsbehandlung bei 2.000 bis 3.000 ºC in einem inerten Gas durchgeführt.
Der Volumengehalt an Kohlenstoffasern in dem erhaltenen Verbundstoff wird geeigneterweise je nach dem Zweck bestimmt, liegt aber üblicherweise in dem Bereich von 10 bis 80 Vol.-%, vorzugsweise 30 bis 75 Vol.-%.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, die Zahl der Imprägniersungs- Carbonisierungszyklen zu reduzieren und so die Zahl der Tage und der Kosten, die für die Produktion des Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffes benötigt werden, zu reduzieren. Darüber hinaus kann die Festigkeit, Flachheit und Genauigkeit der Dimensionen des Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffes verbessert werden und es ist möglich, einen Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff mit einem hohen Volumengehalt an Kohlenstofffasern auf relativ einfache Weise herzustellen.
Die folgenden Beispiele werden gegeben, um die Erfindung konkreter zu erläutern, sie ist jedoch nicht darauf beschränkt.

Beispiel 1

Ein Laminat aus zweidimensionalem Gewebe (Tuchbindung) wurden unter Verwendung eines Kabels aus 2.000 Kohlenstoffasern auf Pechbasis mit einem Durchmesser von jeweils 10 um mit Petroleumpech mit einem Erweichungspunkt von 280 ºC und einem Gehalt an optisch anisotroper Phase von 100 % imprägniert. Das so imprägnierte Laminat wurde 1 Stunde lang bei 700 ºC in einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung einer Heißpresse zum Erhalt des primär geformten Produktes hitzebehandelt. Der Faservolumengehalt und der Fehlstellenprozentsatz betrugen 50 Vol.-% bzw. 20 Vol. - %. Das primär geformte Produkt wurde mit dem obigen Petroleumpech imprägniert und dann mit Argongas in einem HIP-System einem Druck von 39226 kPa (400 kg/cm²) ausgesetzt. Danach wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1 ºC/min auf 400 ºC, mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ºC/min auf 550 ºC mit einer Geschwindigkeit von 5 ºC/min auf 800 ºC und dann mit einer Geschwindigkeit von 2 ºC/min auf 1.000 ºC angehoben. Das primär geformte Produkt wurde so unter Druck carbonisiert. Bei 1.000 ºC betrug der Druck 98.066 kPa (1.000 kg/cm²). Der resultierende Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff wies eine Massendichte von 1,66 g/cm³ und einen Faservolumengehalt von 50 Vol.-% auf.

Vergleichsbeispiel 1

Ein Laminat aus demselben zweidimensionalen Gewebe, wie in Beispiel 1, wurde mit demselben Pech, das in Beispiel 1 verwendet wurde, imprägniert. Das so imprägnierte Laminat wurde unter Druck in einem HIP-System unter Verwendung derselben Bedingungen wie in Beispiel 1 carbonisiert, dann mit Pech imprägniert und wiederum unter Druck in dem HIP-System carbonisiert. Der resultierende Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff wies eine Massendichte von 1,35 g/cm³, einen Faservolumengehalt von 30 Vol.-% und eine Fehlstellenprozentzahl von 25 Vol.-% auf. Die Verdichtung war im Vergleich mit derjenigen in Beispiel 1 unbefriedigend.

Beispiel 2

Ein Laminat aus zweidimensionalem Gewebe (achtbindiges Satingewebe) wurde unter Verwendung eines Kabels aus 2.000 Kohlenstoffilamenten auf Pechbasis mit einem Durchmesser von jeweils 20 um mit dem in Beispiel 1 verwendeten Pech imprägniert. Das so imprägnierte Laminat wurde 50 Stunden lang in Luft bei 300 ºC unschmelzbar gemacht und dann 1 Stunde lang bei 700 ºC in einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung einer Heißpresse zum Erhalt des primär geformten Produktes hitzebehandelt. Der Faservolumengehalt und die Fehlstellenprozentzahl betrugen 60 Vol.-% bzw. 15 Vol.-%. Das primär geformte Produkt wurde mit dem obigen Pech imprägniert und dann unter Verwendung von Argongas in einem HIP-System mit einem Absaugmechanismus einem Druck von 98066 kPa (1.000 kg/cm²) ausgesetzt. Danach wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ºC/min auf 550 ºC und dann mit einer Geschwindigkeit von 5 ºC/min auf 1.000 ºC angehoben. Das primär geformte Produkt wurde so unter Druck carbonisiert. Der resultierende Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff wies eine Massendichte von 1,96 g/cm³ und einen Faservolumengehalt von 60 Vol.-% auf.

Beispiel 3

Ein dreidimensionales Gewebe (orthogonales Gewebe) wurde unter Verwendung eines Kabels aus 2.000 Kohlenstoffilamenten auf Pechbasis mit einem Durchmesser von jeweils 10 um mit dem in Beispiel 1 verwendeten Pech imprägniert. Das so imprägnierte Gewebe wurde über 100 Stunden in Luft bei 150 ºC unschmelzbar gemacht und dann für 1 Stunde bei 700 ºC in einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung einer Heißpresse zum Erhalt des primär geformten Produktes hitzebehandelt. Der Faservolumengehalt und die Fehlstellenprozentzahl betrugen 35 Vol.-% bzw. 25 Vol.-%. Das primär geformte Produkt wurde mit dem obigen Pech imprägniert und dann unter Verwendung von Argongas in einem HIP-System mit einem Absaugmechanismus einem Druck von 98066 kPa (1.000 kg/cm²) ausgesetzt. Danach wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ºC/min auf 400 ºC und dann mit einer Geschwindigkeit von 2 ºC/min auf 1.000 ºC unter Absaugen mit einer Geschwindigkeit von 1.000 Nm³/Std erhöht, um die Carbonisierungsbehandlung unter Druck zu bewirken. Der resultierende Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff wies eine Massendichte von 1,54 g/cm³ und einen Faservolumengehalt von 40 Vol.-% auf.

Beispiel 4

Sechs Folien des im Beispiel 2 verwendeten zweidimensionalen Gewebes aus Kohlenstoffilamenten auf Pechbasis wurden zusammen laminiert und eine Mischung, bestehend aus 50 Gewichtsanteilen unschmelzbar gemachter Fasern und 50 Gewichtsanteilen des in Beispiel 1 verwendeten Pechs wurden zwischen benachbarte Lagen des Laminats gefüllt. Das Mischungsverhältnis des Gewebes zu der Mischung betrug 100 : 70. Das so mit der Mischung befüllte Laminat wurde 1 Stunde lang bei 700 ºC in einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung einer Heißpresse zum Erhalt des primär geformten Produktes mit einer Dicke von 1,6 mm hitzebehandelt. Der Faservolumengehalt und die Fehlstellenprozentzahl betrugen 65 Vol.-% bzw. 16 Vol.-%. Das primär geformte Produkt wurde mit dem obigen Pech imprägniert und dann unter Verwendung von Argongas in einem HIP-System mit einem Absaugmechanismus auf 98066 kPa (1.000 kg/cm²) unter Druck gesetzt. Danach wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ºC/min auf 400 ºC und dann mit einer Geschwindigkeit von 2 ºC/min auf 1.000 ºC unter Absaugen mit einer Geschwindigkeit von 1.000 Nm³/std angehoben, um die Carbonisierungsbehandlung unter Druck zu bewirken. Der resultierende Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff wies eine Massendichte von 1,96 g/cm³ und einen Faservolumengehalt von 60 Vol.-% auf.

Beispiel 5

Ein Laminat aus dem in Beispiel 2 verwendeten zweidimensionalen Gewebe aus Kohlenstoffilamenten auf Pechbasis wurde mit dem Pech aus Beispiel 1 imprägniert. Das so imprägnierte Laminat wurde über 50 Stunden in Luft bei 300 ºC unschmelzbar gemacht und dann eine Stunde in einer Stickstoffatmosphäre unter Verwendung einer Heißpresse zum Erhalt des primär geformten Produktes bei 700 ºC hitzebehandelt. Der Faservolumengehalt und die Fehlstellenprozentzahl betrugen 60 Vol.-% bzw. 15 Vol.- %. Das primär geformte Produkt wurde mit dem obigen Pech imprägniert und dann unter Verwendung von Argongas in einem HIP-System mit einem Absaugmechanismus auf 98066 kPa (1.000 kg/cm²) unter Druck gesetzt. Danach wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ºC/min auf 550 ºC und dann mit einer Geschwindigkeit von 5 ºC/min auf 1.000 ºC angehoben, um die Carbonisierungsbehandlung unter Druck zu erzielen. Das so carbonisierte Produkt wurde wiederum mit dem obigen Pech imprägniert und dann unter Verwendung der obigen Bedingung einer Carbonisierungsbehandlung unter Druck in einem HIP-System unterzogen. Der resultierende Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff wies eine Massendichte von 2,02 g/cm³ und einen Faservolumengehalt von 60 Vol.-% auf.

Beispiel 6

Ein dreidimensionales Gewebe (orthogonales Gewebe) wurde unter Verwendung eines Kabels aus 3.000 Peroxacetylnitrat-Kohlenstoffilamenten mit einem Durchmesser von jeweils 7 um mit einer Lösung eines phenolischen Harzes, die 1 Gew.-% Methylethylketon enthielt, imprägniert und dann 1 Stunde lang bei Raumtemperatur und 2 Stunden lang bei 80 ºC getrocknet, gefolgt von einstündigem Vulkanisieren bei 150 ºC und zweistündigem Nachhärten bei 200 ºC unter uniaxialem Pressen, um ein CFRP primär geformtes Produkt zu erhalten. Das CFRP wurde einer Carbonisierungsbehandlung 1 Stunde lang bei 1.500 ºC in einer Stickstoffatmosphäre unterzogen. Der Faservolumengehalt betrug 40 Vol. - %.
Das primär geformte Produkt wurde dann mit einem Petroleumpech mit einem Erweichungspunkt von 280 ºC und einem Gehalt an optisch anisotroper Phase von 100 % imprägniert. Dann wurde es in einen offenen Container gebracht und mit Argongas in einem HIP-System einem Druck von 39226 kPa (400 kg/cm²) ausgesetzt. Danach wurde die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 1 ºC/min auf 400 ºC, mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ºC/min auf 550 ºC, mit einer Geschwindigkeit von 5 ºC/min auf 800 ºC und dann mit einer Geschwindigkeit von 2 ºC/min auf 1.000 ºC angehoben, um die Carbonisierungsbehandlung unter Druck zu bewirken. Bei 1.000 ºC betrug der Druck 98.066 kPa (1.000 kg/cm²). Das so in dem HIP-System behandelte primär geformte Produkt wurde darüber hinaus 1 Stunde lang einer Carbonisierungsbehandlung in einer Stickstoffatmosphäre bei 1.500 ºC unterzogen. Der Zyklus der obigen Imprägnierung, HIP und 1.500 ºC-Carbonisierungsbehandlung wurde dreimal wiederholt. Der resultierende Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff wies eine Massendichte von 1,75 g/cm³ und eine Fehlstellenprozentzahl von 7 Vol.-% auf.

Beispiel 7

Ein zweidimensionales Gewebe (Tuchbindung) wurde unter Verwendung eines Kabels aus 3.000 Kohlenstoffilamenten auf Pechbasis mit einem Durchmesser von jeweils 10 um mit derselben Lösung eines phenolischen Harzes, wie in Beispiel 6 verwendet, imprägniert und 1 Stunde lang bei Raumtemperatur und dann 2 Stunden lang bei 80 ºC getrocknet. Sechs Folien des so imprägnierten Gewebes wurden zusammen laminiert, vulkanisiert 1 Stunde lang unter uniaxialem Pressen und dann 2 Stunden lang bei 200 ºC zum Erhalt eines CFRP primär geformtes Produkt nachgehärtet.
Das CFRP wurde einer Carbonisierungsbehandlung 1 Stunde lang bei 2.000 ºC in einer Stickstoffatmosphäre unterzogen. Im Ergebnis wurde der Faservolumengehalt zu 60 Vol.-% bestimmt.
Derselbe Zyklus von Imprägnierung, HIP und 1.500 ºC-Carbonisierungsbehandlung wie in Beispiel 6 wurde auf des primär geformte Produkt angewendet. Der resultierende Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff wies eine Massendichte von 1,83 g/cm³, eine Fehlstellenprozentzahl von 10 Vol.-% und eine Biegefestigkeit von 343.233 kPa (35 kg/mm²) auf.

Vergleichsbeispiel 2

Dasselbe CFRP primär geformte Produkt wie in Beispiel 7 wurde derselben 1.500 ºC- Carbonisierungsbehandlung und Imprägnierung wie in Beispiel 7 unterzogen. Dann wurde es einer Carbonisierungsbehandlung bei Atmosphärendruck in einer Stickstoffatmosphäre unter denselben Erwärmungsbedingungen wie in der HIP-Behandlung von Beispiel 1 (ohne Verwendung eines HIP-Systems) unterzogen, gefolgt von einer weiteren Carbonisierungsbehandlung 1 Stunde lang bei 1.500 ºC. Dieser Zyklus von Imprägnierung, 1.000 ºC-Carbonisierungsbehandlung und 1.500 ºC-Carbonisierungsbehandlung wurde dreimal wiederholt.
Der resultierende Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoff wies eine Massendichte von 1,53 g/cm³, eine Fehlstellenprozentzahl von 25 Vol.-% und eine Biegefestigkeit von lediglich 98.066 kPa (10 kg/mm²) auf. Ein Verdichtung wurde kaum erreicht.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoff/Kohlenstoffverbundstoffes, bei dem man (a) durch Hitzebehandlung einer Matrix aus carbonisierbarem Material und Kohlenstoffasern auf Pech-, Polyacrylnitril- oder Viskosefaserbasis durch uniaxiales Pressen zur Carbonisierung oder Graphitisierung ein primär geformtes Produkt erhalten wird, (b) das Produkt von (a) mit einem carbonisierbaren Material imprägniert wird, (c) das Produkt von (b) unter heißem isostatischen Pressen hitzebehandelt wird, und (d) das Produkt von (c) gegebenenfalls verkokt oder graphitisiert wird.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern in Form eines Kabels aus Kohlenstofffilamenten vorliegen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zuerst geformte Produkt erhalten wird, indem ein Kabel aus Kohlenstoffilamenten mit einem carbonisierbaren Material imprägniert wird, wobei das so imprägnierte Kabel unschmelzbar wird, und danach das so unschmelzbar gemachte Kabel unter uniaxialem Pressen zur Carbonisierung oder Graphitisierung hitzebehandelt wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zuerst geformte Produkt erhalten wird, indem ein Kabel aus Kohlenstoffilamenten mit unschmelzbar gemachtem Fasern oder sowohl unschmelzbar gemachten Fasern als auch einem carbonisierbaren Material kombiniert wird, und das so kombinierte Material unter uniaxialem Pressen zur Carbonisierung oder Graphitisierung hitzebehandelt wird.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das zuerst geformte Produkt von (a) durch Imprägnieren der Kohlenstoffasern mit einem hitzehärtbaren Harz erhalten wird und die imprägnierten Kohlenstoffasern unter Druck zur Carbonisierung oder Graphitisierung hitzebehandelt werden.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem das zuerst geformte Produkt durch uniaxiales Pressen geformt wird.

7. Verfahren gemaß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Hitzebehandlung unter heißem isostatischen Pressen unter Verwendung eines offenen Behälters durchgeführt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem die Hitzebehandlung unter heißem isostatischen Pressen unter Verwendung eines Systems zum heißen isostatischen Pressen mit einem Absaugmechanismus durchgeführt wird.