DE69003875T2

DE69003875T2 - Verstärkungsgewebe und vorgeformtes Halbzeug, faserverstärkter Verbundwerkstoff und daraus hergestellter Träger.

Info

Publication number: DE69003875T2
Application number: DE90306100T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Homma; Akira Nishimura
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1989-06-06
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1994-05-05
Anticipated expiration: 2010-06-06
Also published as: US5100713A; DE69003875D1; EP0402099A2; EP0402099A3; JPH0823095B2; EP0402099B1; JPH038833A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verstärkungswebstoff zur Verwendung bei faserverstärkten Verbundwerkstoffen, wie faserverstärkten Kunststoffen (in der Folge als FRP bezeichnet), faserverstärkten Kohlenstoffen (in der Folge als FRC bezeichnet) und faserverstärkten Metallen (in der Folge als FRM bezeichnet), und ein vorgeformtes Halbzeug, das ein Zwischensubstrat zum Formen derartiger Verbundwerkstoffe ist, einen faserverstärkten Verbundwerkstoff, der mit dem vorgeformten Halbzeug geformt ist, und einen Träger, der mit dem vorgeformten Halbzeug geformt ist.
Verstärkungsfilamentgarne werden oft als ein Gebilde aus einem Webstoff verwendet, wenn ein faserverstärkter Verbundwerkstoff geformt wird. Beispielsweise wird ein solcher Verstärkungswebstoff für einen FRP-Träger in der JP-B-SH0-62-23139 geoffenbart. Der Verstärkungswebstoff besteht aus einem herkömmlichen biaxial gewebten Gewebe, worin die Größe und Dichte von Kettfäden und Schußfäden beide zueinander gleich sind und die Kettfäden und Schußfäden einander in einem rechten Winkel kreuzen. Eine Vielzahl von Verstärkungswebstoffen ist so laminiert, daß die Kettfäden oder die Schußfäden der Verstärkungswebstoffe sich in die Richtungen mit Winkeln von ± 45º relativ zur Längsrichtung des Trägers im Stegabschntit des Trägers erstrecken (in der Folge wird diese laminierte Schicht als "± 45º-Schicht" bezeichnet). Im Flanschabschnitt des Trägers ist manche Gruppe der Endabschnitte der laminierten Verstärkungswebstoffe und die andere in entgegengesetzte Richtungen getrennt bzw. geteilt, um den Flanschabschnitt zu bilden, und ein einzelner oder eine Vielzahl der Verstärkungswebstoffe ist an die Oberfläche der geteilten Endabschnitte laminiert, sodaß die Kettfäden oder die Schußfäden des einzelnen oder der Vielzahl von Verstärkungswebstoffen sich in die Längsrichtung des Trägers erstrecken (in der Folge wird diese laminierte Schicht als "0º-Schicht" bezeichnet). Ein Grund, weshalb der Stegabschnitt aus ± 45º-Schicht konstruiert ist, besteht darin, daß eine solche Schicht wirksam einer im Träger erzeugten Scherbeanspruchung Widerstand leistet. Ein Grund, weshalb im Flanschabschnitt 0º-Schicht vorgesehen ist, besteht darin, daß die Festigkeit und Starrheit in der Längsrichtung des Trägers unzureichend sind, wenn nur ± 45º-Schicht vorgesehen ist.
Bei einer solchen Laminierungsanordnung tritt jedoch, da eine Grenze zwischen ± 45º-Schicht und 0º-Schicht im Flanschabschnitt vorhanden ist, dahingehend ein Problem auf, daß die laminierten Schichten Gefahr laufen, an der Grenze delaminiert zu werden. Darüberhinaus ist es mühsam, die 0º-Schicht zusätzlich vorzusehen.
Die US-PS-4,177,306 offenbart einen laminierten sektionalen Balken bzw. Teilkettbaum mit einem Steg und einem Flansch, worin ± 45º-Schicht im Steg mit unidirektionellen Prepregs geformt ist und 0º-Schicht im Flansch gebildet wird, indem die unidirektionellen Prepregs zum Flanschabschnitt verlängert werden und zusätzlich unidirektionelle Prepregs zwischen den verlängerten unidirektionellen Prepregs zwischengeschaltet bzw. angeordnet werden. Jedoch besteht dabei das gleiche Problem wie das beim in der JP-B-SH0-62-23139 geoffenbarten Träger.
Es wäre wünschenswert, einen Verstärkungswebstoff zu schaffen, der, wenn eine Vielzahl der Verstärkungswebstoffe zum Formen eines Trägers eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs verwendet wird, fähig ist, gleichzeitig die ± 45º-Schicht im Steg des Trägers und die 0º-Schicht im Flansch des Trägers zu bilden und die Delaminierung an der Grenze zwischen Schichten im Träger zu verhindern.
Weiters wäre es wünschenswert, ein vorgeformtes Halbzeug zur Verwendung in faserverstärkten Verbundwerkstoffen zu schaffen, besonders geeignet zur Verwendung zum Formen des Trägers.
Des weiteren wäre es wünschenswert, einen faserverstärkten Verbundwerkstoff zu schaffen, der das vorgeformte Halbzeug umfaßt und zur Verwendung bei der Bildung des Trägers geeignet ist.
Des weiteren wäre es wünschenswert, den Träger aus dem faserverstärkten Verbundwerkstoff konstruiert zu schaffen, das relativ leicht geformt werden und die Delaminierung an der Grenze zwischen Schichten im Träger verhindern kann.
Die vorliegende Erfindung schafft hierin einen Verstärkungswebstoff und ein vorgeformtes Material, einen faserverstärkten Verbundwerkstoff und einen Träger, bei dem er verwendet wird.
Der Verstärkungswebstoff gemäß vorliegender Erfindung umfaßt eine Vielzahl von Kettfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in die Längsrichtung des Verstärkungswebstoffs parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken, wobei die Kettfäden in Querrichtung des Verstärkungswebstoffs angeordnet sind, um jeweilige Abschnitte zu bilden, in denen die Dichte der Kettfäden in einem Abschnitt (mit hoher Dichte) höher ist als in einem anderen Abschnitt (mit geringer Dichte) (in welchem Abschnitt mit geringer Dichte die Anzahl der Kettfäden wahlweise nicht größer als null ist); und eine Vielzahl von Schußfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in eine Richtung quer über die Kettfäden und schräg zur Ausdehnungsrichtung der Kettfäden parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken.
Das vorgeformte Halbzeug gemäß vorliegender Erfindung weist eine Vielzahl von Verstärkungswebstoffen auf, die laminiert und miteinander vereinigt sind, wobei jeder der Verstärkungswebstoffe (a) eine Vielzahl von Kettfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in der Längsrichtung des Verstärkungswebstoffs parallel zueinander in einer bahnartigen Form erstrecken. wobei die Kettfäden in der Querrichtung des Verstärkungswebstoffs angeordnet sind, um einen Abschnitt mit einer hohen Dichte der Kettfäden und einem Abschnitt mit einer geringen Dichte der Kettfäden zu bilden, und (b) eine Vielzahl von Schußfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen umfaßt, die sich in eine Richtung über die Kettfäden und schräg zur Richtung der Ausdehnung der Kettfäden parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken; wobei die Vielzahl von Verstärkungswebstoffen so laminiert ist, daß die Abschnitte mit der hohen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind und die Abschnitte mit der geringen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind.
Der faserstärkte Verbundwerkstoff gemäß vorliegender Erfindung umfaßt ein vorgeformtes Halbzeug, das aus einer Vielzahl von laminierten und miteinander vereinigten Verstärkungswebstoffen und eine Matrix, die die Vielzahl von Verstärkungswebstoffen enthält, wobei jeder der Verstärkungswebstoffe (a) eine Vielzahl von Schußfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in die Längsrichtung des Verstärkungswebstoffs parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken, wobei die Kettfäden in der Querrichtung des Verstärkungswebstoffs angeordnet sind, um einen Abschnitt mit einer hohen Dichte der Kettfäden und einen Abschnitt mit einer geringen Dichte der Kettfäden zu bilden, und (b) eine Vielzahl von Schußfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen umfaßt, die sich in eine Richtung über die Kettfäden und schräg zur Richtung der Ausdehnung der Kettfäden parallel zueinander in bahnenartiger Form erstrecken; wobei die Vielzanl von Verstärkungswebstoffen so laminiert ist, daß die Abschnitte mit der hohen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind und die Abschnitte mit der geringen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind.
Der aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff gemäß vorliegender Erfindung konstruierte Träger weist einen Flansch und einen Steg auf, wobei der faserverstärkte Verbundwerkstoff ein vorgeformtes Halbzeug enthält, das aus einer Vielzahl von laminierten und miteinander vereinigten Verstärkungswebstoffen und einer Matrix besteht, welche die Vielzahl von Verstärkungswebstoffen enthält; wobei jeder der Verstärkungswebstoffe (a) eine Vielzahl von Kettfäden aus Verstärkungsfilamengarnen, die sich in die Längsrichtung des Verstärkungswebstoffs parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken, wobei die Kettfäden in der Querrichtung des Verstärkungswebstoffs angeordnet sind, um einen Abschnitt mit einer hohen Dichte der Kettfäden und einen Abschnitt mit einer geringen Dichte der Kettfäden zu bilden, und (b) eine Vielzahl von Schußfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen umfaßt, die sich in eine Richtung über die Kettfäden und schräg zur Richtung der Ausdehnung der Schußfäden parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken; wobei die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen so laminiert ist, daß die Abschnitte mit der hohen Dichte der Kettfäden der jweilgien Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind und die Abschnitte mit der geringen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind.
Gemäß vorliegender Erfindung sind die für die Kettfäden und die Schußfäden verwendeten Verstärkungsfilamentgarne vorzugsweise Multifilament- bzw. Multifilgarne mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul, die am meisten bevorzugt aus zumindest einer von Kohlenstoffasern, Glasfasern, Polyaramidfasern, Polyätherätherkethonfasern, Siliziumkarbidfasern, Tonerdefasern und Tonderdesilikafasern bestehen. Däs Garnmaterial kann aus diesen Fasern je nach der Verwendung der Verstärkungswebstoffe oder der Art des zu formenden Verbundwerkstoffs ausgewählt werden. Wenn Kohlenstoffasern für die Verstärkungsfilamentgarne verwendet werden, sind Kohlenstoffasermultifilgarne mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul vorzuziehen, die bei Messung basierend auf dem ASTM-D-40I8-81 Verfahren 2 eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 350 kg/mm² und einen Zugelastizitätsmodul von nicht weniger als 20 x 10³ kg/mm² aufweisen.
Der Verstärkungswebstoff gemäß vorliegender Erfindung weist eine Vielzahl von Kettfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen auf, die sich in die Längsrichtung des Verstärkungswebstoffs parallel zueinander in einer bahnartigen Form erstrecken, sowie eine Vielzahl von Kettfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in eine Richtung über die Kettfäden und schräg zur Richtung der Ausdehnung der Kettfäden parallel zueinander in einer bahnartigen Form erstrecken.
Die Webstruktur des Verstärkungswebstoffs kann eine Leinwandbindungs-, Diagonalbindungs- oder Satin-Bindungsstruktur sein. Alternativ dazu kann die Gewebestruktur eine nichtkräuselnde faserige Anordnung sein, die (a) eine Garngruppe "A" umfaßt, die aus einer Vielzahl von geraden Kettfädengarnen besteht, die in eine Richtung parallel zueinander in einer bahnartigen Form zusammengefaßt sind, (b) eine Garngruppe "B", die aus einer Vielzahl von geraden Schußfädengarnen besteht, die in einer Richtung parallel zueinander in bahnartiger Form zusammengefaßt sind, wobei die Bahnfläche der Garngruppe "B" der Bahnfläche der Garngruppe "A" gegenübersteht und die Schußfädengarne die Kettfädengarne schneiden, sowie (c) Hilfsfilamentgarne, welche die Garngruppen "A" und "B" in einem halten, wie in der US-PS-4,320,160 geoffenbart. Wenn die Webstruktur dieser nichtkräuselnden faserigen Anordnung entspricht, bestehen die Hilfsfilamentgarne vorzugsweise aus zumindest einem Bestandteil, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoffasern, Glasfasern, Polyaramidfasern, Rayonfasern, Acrylfasern, Polypropylenfasern, Polyamidfasern und Polyesterfasern besteht. Die Bruchdehnung der Hilfsfilamentgarne ist vorzugsweise nicht geringer als 2% und höher als jene sowohl der Kettfäden als auch der Schußfäden. Unter Verwendung solcher Hilfsfilamentgarne kann verhindert werden, daß die Hilfsfilamentgarne vor dem Reißen der Kettfäden oder der Schußfäden reißen und die Zerstörung der Webstruktur sich vom zerrissenen Abschnitt ausbreitet. Die Kettfäden und Schußfäden sind vorzugsweise nicht zusammengedreht, um die Imprägnierfähigkeit einer Matrix zu erhöhen, wenn ein Verbundwerkstoff geformt wird. Wenn die Anzahl der Verdrehungen der Garne jedoch geringer als 15 Drehungen/m ist, gibt es kein Problem.
Die Schußfäden erstrecken sich schräg zur Richtung, in der sich die Kettfäden erstrecken. Es hängt von der Verwendung des Verstärkungswebstoffs ab, wie groß der Winkel der Schrägstellung eingestellt ist. Wenn der Verstärkungswebstoff beispielsweise zum Formen eines Trägers zu verwenden ist, können die Schußfäden in einem Winkel im Bereich von + 45º ± 15º oder - 45º ± 15º, vorzugsweise in einem Winkel von nur + 45º oder -45º relativ zur Richtung der Schußfäden gerichtet sein.
Der Verstärkungswebstoff weist einen Abschnitt mit einer hohen Dichte der Kettfäden und einen Abschnitt mit einer geringen Dichte der Kettfäden in der Querrichtung des Webstoffs auf. Die Dichte der Kettfäden ergibt sich aus dem Produkt der Größe eines einzelnen Kettfadens (dem Durchmesser eines einzelnen Filaments x der Anzahl der Filamente, die den einzelnen Kettfaden bilden) und der Webdichte der Kettfäden (der Anordnungsdichte der Kettfäden: der Anzahl an Kettfäden pro Einheit Länge). Demgemäß kann die Dichte der Kettfäden geändert werden, indem die Größe des Kettfadens und/oder die Webdichte der Kettfäden geändert wird. Es wird je nach der Verwendung des Verstärkungswebstoffs oder der Art der Verstärkungsfilamentgarne bestimmt, um wieviel Grad die Dichte des Abschnitts mit einer hohen Dichte der Kettfähen höher festgelegt wird als die Dichte des Abschnitts mit einer geringen Dichte der Kettfäden. Wenn beispielsweise der Verstärkungswebstoff zum Formen eines später beschriebenen Trägers verwendet wird, weist der Abschnitt mit hoher Dichte vorzugsweise eine Dichte auf, die zumindest dreimal so hoch ist wie jene des Abschnitts mit geringer Dichte.
Der Abschnitt mit einer hohen Dichte der Kettfäden kann wie erforderlich an jedem Abschnitt in der Querrichtung des Vestärkungswebstoffs angeordnet sein. Genauer kann der Abschnitt beispielsweise an einem mittleren Abschnitt oder einem Endabschnitt des Webstoffs in der Querrichtu.ng angeordnet sein. Die Position des Abschnitts kann je nach der Verwendung des Webstoffs bestimmt werden. In einem Fall, in dem der Verstärkungswebstoff zum Formen eines Trägers mit einem Flansch oder Flanschen und einem Steg verwendet wird, wie später beschrieben, sind der Endabschnitt oder die Endabschnitte des Verstärkungswebstoffs, die dem Flansch oder den Flanschen des Trägers entsprechen, als der Abschnitt oder die Abschnitt mit einer hohen Dichte der Kettfäden ausgebildet.
Um die Dichte der Kettfäden zu erhöhen, können grundsätzlich entweder die Größe des Kettfadens oder die Webdichte der Kettfäden oder sowohl die Größe als auch die Webdichte erhöht werden, wie oben erwähnt. Alternativ dazu, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt, kann die Dichte der Kettfäden der Abschnitte 3 durch teilweises Doppelweben des Verstärkungswebstoffs, der aus Kettfäden und 1a und 1b und Schußfäden 2 besteht, an den Abschnitten 3 erhöht werden. Beim in den Figuren 1 und 2 gezeigten Verstärkungswebstoff kann, da die Größe des Kettfadens 1a größer ist als die Größe des Kettfadens 1b und die Anzahl an Kettfäden 1a in den Doppelwebabschnitten 3 das Doppelte der Anzahl an Kettfäden 1b im mittleren Abschntt 4 mit geringer Dichte beträgt, die Differenz der Dichten der Kettfäden zwischen den Abschnitten 3 mit hoher Dichte und dem Abschnitt 4 mit geringer Dichte auf eine große Differenz festgelegt werden. Die Webkanten des Verstärkungswebstoffs können als gebundene Webkanten ausgebildet sein, die durch Bindungsgarne 5 befestigt sind, um zu verhindern, daß die Webkanten reißen, wie in Fig. 1 gezeigt.
Die Art der Verstärkungsfilamentgarne, aus denen die Kettfäden bestehen, können zwischen dem Abschnitt mit einer hohen Dichte der Kettfäden und dem Abschnitt mit einer geringen Dichte der Kettfäden geändert werden. Beispielsweise können Kohlenstoffasern für die Kettfäden des Abschnitts mit hoher Dichte verwendet werden, und Glasfasern können für die Kettfäden des Abschnitts mit geringer Dichte verwendet werden. So ist das Andern der Art der Verstärkungsfilamentgarne, welche die Kettfäden bilden, entsprechend den Abschnitten des Webstoffs von dem Standpunkt aus sehr vorteilhaft, daß die optimalen Verstärkungsfilamentgarne bezogen auf die erforderlichen Eigenschaften für die Kettfäden oder die Abschnitt des Webstoffs wirksam ausgewählt werden können. Weiteres konnen, da einige Arten von Verstärkungsfilamentgarnen teuer sind, die Produktionskosten des Verstärkungswebstoffs durch das Andern der Art der Kettfäden im Verstärkungswebstoff verringert werden, beispielsweise durch das Verwenden der aus Kohlenstoffasern bestehenden Garne im Endabschnitt des Webstoffs, wenn für den Endabschnitt eine Verstärkungswirkung erforderlich ist, und das Verwenden billiger Garne, die beispielsweise aus Glasfasern bestehen, im anderen Abschnitt des Webstoffs.
Die Kettfäden und die Schußfäden des Verstärkungswebstoffs können an ihren Schnittstellen durch ein thermoplastisches Polymer aneinander befestigt sein. Dieses Befestigen kann auf solche Art durchgeführt werden, wie in der Europäischen Patentveröffentlichung 272,083, der JP-A-SHO-61-34244 oder der Japanischen Gebrauchsmusterveröffentlichung SHO 61-198284 geoffenbart, worin ein Garn, das aus einem thermoplastischen Polymer mit einem geringen Schmelzpunkt, wie Nylon, copolymerisiertem Nylon, Polyester, Vinylidenchlorid oder Vinylchlorid besteht, gemeinsam mit einem Kettfadengarn und/oder einem Schußfadengarn zugeführt wird, wenn das Kettfadengarn und das Schußfadengarn in einen Verstärkungswebstoff gewebt werden, und das thermoplastische Polymergarn nach dem Weben geschmolzen wird und die Kettfäden und die Schußfäden des Verstärkungswebstoffs an ihren Schnittstellen durch ein geschmolzenes thermoplastisches Polymer verbunden werden.
Der Verstärkungswebstoff kann als ein Prepreg gebildet werden, bevor ein später beschriebenes vorgeformtes Halbzeug erzeugt wird. Das Prepreg wird hergestellt, indem der Verstärkungswebstoff mit einer Substanz versehen bzw. versorgt wird, die eine Matrix für faserverstärkte Verbundwerkstoffe sein soll. Die Substanz, die eine Matrix für faserverstärkte Verbundwerkstoffe sein soll, kann aus einem Harz und einem Metall ausgewählt werden. Wenn die Matrix ein Harz ist, kann der Verstärkungswebstoff mit dem Harz, bevor es ausgehärtet wird, getränkt werden. Ein bevorzugtes Matrixharz ist ein wärmehärtbares Harz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Epoxyharzen, ungesättigten Polyesterharzen und Phenolharzen besteht, oder ein thermoplastisches Harz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nylonharzen, Polyesterharzen, Polybutylenterephthalatharzen, Bismaleimidharzen, Polyphenylensulfidharzen und Polyätherätherketonharzen besteht. Wenn die Matrix ein Metall ist, wird die Steifigkeit des Verstärkungswebstoffs zu groß, wenn das Metall auf solche Art in den Webstoff imprägniert wird wie ein Harz imprägniert wird. Daher wird der Verstärkungswebstoff als ein Prepreg gebildet, indem auf dem Webstoff eine dünne Schicht aus einem Metall durch ein Verfahren wie Galvanisieren, Sedimentierung oder Sputtern vorgesehen wird. Als das Metall kann ein einzelnes Metall wie Aluminium, Magnesium, Zinn, Zink oder Kupfer sowie eine Legierung mit einem Hauptbestandteil eingesetzt werden, der aus zumindest einem Metall beteht, das aus diesen Metallen ausgewählt ist. Wenn das Prepreg des Verstärkungswebstoffs hergestellt wird, werden die Kettfäden und die Schußfäden des Webstoffs wünschenswert wie obengenannt befestigt. Das Durcheinanderbringen der Verstärkungsfilamentgarne des Verstärkungswebstoffs kann durch das Befestigen verhindert werden.
Das vorgeformte Halbzeug gemäß vorliegender Erfindung wird hergestellt, indem eine Vielzahl von Verstärkungswebstoffen laminiert und miteinander vereinigt wird. Selbstverständlich werden, wenn die Verstärkungswebstoffe laminiert werden, die Richtungen der Kettfäden und der Schußfäden und die Anordnung des Abschnitts mit einer hohen Dichte der Kettfäden je nach der Verwendung des vorgeformten Halbzeugs bestimmt. Die Vielzahl von Verstärkungswebstoffen wird so laminiert, daß die Abschnitt mit einer hohen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind und die Abschnitte mit einer geringen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind. 0bwohl das vorgeformte Halbzeug im allgmeinen gebildet wird, indem nur die Verstärkungswebstoffe gemäß vorliegender Erfindung verwendet werden, kann ein herkömmliches biaxial gewebtes Gewebe, ein Vlies, wie ein Glas-Vliesstoff oder eine Glasschnittmatte, oder ein Filz, der aus Verstärkungsfilamentgarnen oder Verstärkungsfasern besteht, zwischen geeigneten Schichten oder als eine äußerste Schicht angeordnet werden. Beispielsweise können in einem Fall, in dem die Verstärkungswebstoffe Kohlenstoffasern mit spezifischer elektrischer Leitfähigkeit umfassen, Substrate, die elektrische Isolationseigenschaft aufweisen, an die äußersten Schichten der laminierten Verstärkungswebstoffe laminiert werden. Wenn ein faserverstärkter Verbundwerkstoff unter Verwendung eines solchen vorgeformten Halbzeugs geformt wird, kann der Verbundwerkstoff an seinen Oberflächen elektrische Isolationseigenschaft aufweisen, wodurch Elektrokorrosion des Verbundwerkstoffs verhindert wird. Solche Substrate mit elektrischer Isolationseigenschaft können aus Glasfasern oder Polyaramidfasern konstruiert werden.
Die Vereinigung der Verstärkungswebstoffe bei der Bildung des vorgeformten Halbzeugs kann durchgeführt werden, indem die Webstaffe durch ein thermoplastisches Polymer gebunden werden. Bei diesem Verfahren ist, da die Imprägnierfähigkeit einer Matrix bei der Bildung eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs abnimmt, wenn die Verstärkungswebstoffe durch 0berflächenbindung gebunden werden, das Binden an Punkten oder Binden durch Linien wünschenswert. Als das thermoplastische Polymer für das Binden können die gleichen Harze eingesetzt werden wie jene, die zum obengenannten Befestigen der Kettfäden und der -Schußfäden verwendet werden. Wenn die durch ein thermoplastisches Polymer befestigten Verstärkungswebstoffe verwendet werden, kann das thermoplastische Polymer eingesetzt werden, um die Verstärkungswebstoffe zu vereinigen, um ein vorgeformtes Halbzeug zu bilden. Wenn die Verstärkungswebstoffe als Prepregs gebildet sind, können die Webstoffe selbst direkt durch die Haftungsfähigkeit der Prepregs vereinigt werden, ohne daß zusätzliche Bindungsmaterialien verwendet werden.
Die Verstärkungswebstoffe können auch durch Zusammenheften mit Heftgarnen vereinigt werden, die aus der gleichen Art Verstärkungsfilamentgarnen wie jene der Kettfäden oder der Schußfäden bestehen. In diesem Fall sind die Heftgarne unweigerlich stark gebogen, und es wird befürchtet, daß die Belastung, die in einem mit dem vorgeformten Halbzeug geformten Verbundwerkstoff erzeugt wird, sich an den gebogenen Abschnitten der Heftgarne konzentriert, die Heftgarne vor dem Reißen der Kettfäden oder der Schußfäden an den Abschnitten reißen und die Zerstörung des Verbundwerkstoffs sich von den Abschnitten ausbreitet. Daher sind die Verstärkungsfilamentgarne, welche Heftgarne darstellen, vorzugsweise Garne mit einer Bruchdehnung von nicht weniger als 1,5% und mehr als jene sowohl der Kettfäden alsauch der Schußfäden. Das Zusammenheften kann entweder mit gleichem Zwischenraum oder so durchgeführt werden, daß wichtige Abschnitte mit einer hohen Dichte zusammengeheftet werden.
Das Zusammenheften durch die Heftgarne wird vorzugsweise mit Einfachkettenstich durchgeführt, sodaß die oberen Garne und unteren Garne sich nicht im Inneren des vorgeformten Halbzeugs miteinander verheddern. Beim Einfachkettenstich beispielsweise, wie in Fig. 3 dargestellt, ist es, da die gebogenen Abschnitte der Heftgarne 11 nicht im inneren des vorgeformten Halbzeugs 12 angeordnet sind, schwierig, die Heftgarne im Inneren des vorgeformten Halbzeugs zu zerreißen. Wenn die Heftgarne im Inneren des vorgeformten Halbzeugs zerreißen, ist es wahrscheinlich, daß die Delaminierung zwischen den Schichten der Verstärkungswebstoffe im mit dem vorgeformten Halbzeug geformten Verbundwerkstoff auftritt. Jedoch kann eine solche Delaminierung zwischen den Schichten durch das Anwenden des Einfachkettenstichs verhindert werden. Eine solche Hefttechnik ist detailliert in der US-PS-4,522,254 geoffenbart. Weiters können gemäß vorliegender Erfindung sowohl das Binden durch ein thermoplastisches Polymer als auch das Zusammenheften durch Heftgarne beide gleichzeitig angewandt werden, um eine Vielzahl der Verstärkungswebstoffe zu vereinigen, um ein vorgeformtes Halbzeug zu bilden.
Was die Laminierungsstruktur einer Vielzahl von Verstärkungswebstoffen betrifft, sind die Verstärkungswebstoffe vorzugsweise so laminiert, daß die Ausdehnungsrichtungen der Kettfäden und der Schußfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe relativ zur mittleren Laminierungsoberfläche der Vielzahl von Verstärkungswebstoffen spiegelsymmetrisch festgelegt sind. Die Wölbung oder die Torsion eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs, der unter Verwendung des vorgeformten Halbzeugs geformt wurde, kann durch das Anwenden einer solchen Laminierungsstruktur verhindert werden. Wenn die Verstärkungswebstoffe so laminiert sind, daß die Ausdehnungsrichtungen der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe in der gleichen Richtung angeordnet sind, kann die Festigkeit des Inneren des vorgeformten Halbzeugs in jede Richtung parallel zur Oberfläche des vorgeformten Halbzeugs ausgeglichen werden, indem die laminierten Verstärkungswebstoffe so festgelegt werden, daß die Kettfäden verschiedener Webstoffe einander überschneiden und die jweiligen Anzahlen der beiden Gruppen von Kettfäden, die sich in zwei unterschiedliche Richtungen erstrecken, einander gleich sind. Auch wenn die Vielzahl von Verstärkungswebstoffen die gleiche Webstruktur aufweist, kann eine solche Laminierungsstruktur leicht erreicht werden, indem die Oberflächenseiten einer Hälfte der zu laminierenden Verstärkungswebstoffe zu deren Rückseiten gedreht werden. Darüberhinaus ist, bei dem vorgeformten Halbzeug mit einer solchen spiegelsymmetrischen Laminierungsstruktur wie oben beschrieben, vorzugsweise die gleiche gerade Anzahl der Verstärkungswebstoffe von der mittleren Oberfläche der Laminierungsstruktur jeweils in entgegengesetzte Richtungen laminiert, um das Festigkeitsgleichgewicht im Inneren des vorgeformten Halbzeugs präziser zu gewährleisten.
Das vorgeformte Halbzeug gemäß vorliegender Erfindung kann je nach der Verwendung des Halbzeugs in verschiedenen Gestalten ausgebildet sein, wie als eine ebene Plattengestalt, oder H-Gestalt, I-Gestalt, C-Gestalt, J-Gestalt, L-Gestalt, T-Gestalt oder Z-Gestalt im Querschnitt. Derartiges vorgeformtes Halbzeug gemäß vorliegender Erfindung ist insbesondere geeignet zur Verwendung bei Trägern. Wenn das vorgeformte Halbzeug für einen Träger mit einem Flansch und einem Steg verwendet wird, ist vorzugsweise das vorgeformte Halbzeug so geformt und sind die Verstärkunswebstoffe so laminiert, daß die Abschnitte mit einer hohen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe am flanschbildenden Abschnitt des vorgeformten Halbzeugs angeordnet sind, die Kettfäden der jweiligen Verstärkungswebstoffe sich in die Längsrichtung des flanschbildenden Abschnitts erstrecken und die Abschnitte mit einer geringen Dichte der Kettfäden der jweiligen Verstärkungswebstoffe am stegbildenden Abschnitt des vorgeformten Halbzeugs angeordnet sind.
Faserverstärkte Verbundwerkstoffe gemäß vorliegender Erfindung können nach wohlbekannten Verfahren mit obengenanntem vorgeformtem Halbzeug geformt werden. Beispielsweise kann ein FRP geformt werden, indem das vorgeformte Halbzeug in eine Form eingesetzt und ein Matrixharz in die Form eingespritzt wird, d.h. durch sogenannten Spritzguß. Ein bevorzugtes Matrixharz für den Spritzguß ist ein in Wärme aushärtendes Harz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Epoxyharzen, ungesättigten Polyesterharzen und Phenolharzen beteht, oder ein thermoplastisches Harz, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Nylonharzen, Polyesterharzen, Polybutylenterephthalatharzen, Bismaleimidharzen, Polyphenylensulfidharzen und Polyätherätherketonharzen besteht. In einem Fall, in dem die Verstärkungswebstoffe als Prepregs ausgebildet sind und das vorgeformte Halbzeug mit den Prepregs gebildet ist, kann ein FRP hergestellt werden, indem nur das vorgeformte Halbzeug in eine Form eingefügt und das vorgeformte Halbzeug gepreßt wird. Weiters kann in einem Fall, in dem ein karbonisierbares Harz wie Phenolharz, Furanharz oder Teer als das Matrixharz verwendet wird, FRC durch das Kalzinieren des karbonisierbaren Harzes und das Umwandeln des Harzes in Kohlenstoff, d.h. Karbonisieren des Harzes, erhalten werden.
Weiters kann ein Metall als eine Matrixsubstanz verwendet werden, um einen faserverstärkten Verbundwerkstoff gemäß vorliegender Erfindung zu formen. Beispielsweise kann ein FRM durch Hochdruckgießen erhalten werden, worin das vorgeformte Halbzeug in eine Form eingefügt wird und ein geschmolzenes Metall, das als die Matrix für das FRM bestimmt ist, in die Form eingepreßt wird. Als das Matrixmetall des FRM können sowohl ein einzelnes Metall verwendet werden, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminium, Magnesium, Zinn, Zink und Kupfer ausgewählt ist, als auch eine Legierung mit einem Hauptbestandteil, der aus zumindest einem aus diesen Metallen ausgewählten Metall besteht.
Das vorgeformte Halbzeug gemäß vorliegender Erfindung ist insbesondere zur Verwendung in einem Träger geeignet, der aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff konstruiert wird. Der Träger gemäß vorliegender Erfindung weist einen einzelnen oder eine Vielzahl von Flanschen und Stegen auf. Der Träger umfaßt ein vorgeformtes Halbzeug, das aus einer Vielzahl von laminierten und miteinander vereinigten Verstärkungswebstoffen und einer Matrix besteht, welche die Verstärkungswebstoffe enthält. Wie oben erwähnt, ist das vorgeformte Halbzeug so geformt, daß die Abschnitte mit einer hohen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe am/an den flanschbildenden Abschnitt oder Abschnitten des vorgeformten Halbzeugs angeordnet sind, der/die dem Flansch oder den Flanschen des Trägers entspricht/entsprechen, und die Abschnitte mit einer geringen Dichte der Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe am/an den stegbildenden Abschnitt oder Abschnitten des vorgeformten Halbzeugs angeordnet sind, das/die dem Steg oder den Stegen des Trägers entspricht/entsprechen.
Beim Träger gemäß vorliegender Erfindung ist, da der Flansch in Längsrichtung durch die Kettfäden, die eine dichte Anordnung oder Webstruktur aufweisen und einen Hauptteil einer 0º-Schicht darstellen, wirksam in Festigkeit und Steifigkeit verstärkt ist, die Festigkeit des Stegs wirksam gegen die Scherbeanspruchung verstärkt, die im Träger durch die Schußfäden erzeugt wird, die sich schräg zu den Kettfäden erstrecken und einen Hauptteil einer ± 45º-Schicht oder ähnliches darstellen, wobei beide Verstärkungen gleichzeitig durchgeführt werden, indem ein vorgeformtes Halbzeug durch im Grunde nur die Verstärkungswebstoffe gemäß vorliegender Erfindung gebildet wird, ohne daß zusätzliche Schichten aus anderen Verstärkungswebstoffen laminiert oder eingefügt werden, die Bildung des Trägers mit erforderlichen mechanischen Eigenschaften kann sehr einfach erreicht werden, und die Delaminierung an der Grenze zwischen Schichten im Träger kann wirksam verhindert werden.
Die beiliegenden Zeichnungen veranschaulichen mehrere Ausführungsformen der Erfindung und dienen gemeinsam mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
Fig. 1 ist eine teilweise aufgeschnittene perspektivische Ansicht eines Verstärkungswebstoffs, die eine Doppelwebstruktur gemäß vorliegender Erfindung zeigt.
Fig. 2 ist eine Querschnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Verstärkungswebstoffs entlang der Linie II-II von Fig. 1.
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht eines vorgeformten Halbzeugs, die eine Einfachkettenstichstruktur zeigt, worin seine Seite als der Querschnitt genommen wird.
Fig. 4 ist eine Draufsicht eines Verstärkungswebstoffs gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 ist eine Querschnittansicht des in Fig. 4 gzeeigten Verstärkungswebstoffs entlang der Linie V-V von Fig. 4.
Fig. 6 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines vorgeformten Halbzeugs, das mit einer Vielzahl der in Fig. 4 gezeigten Verstärkungswebstoffe gebildet ist.
Fig. 7 ist eine vergrößerte teilweise Querschnittansicht eines einzelnen Verstärkungswebstoffs des in Fig. 6 gezeigten vorgeformten Halbzeugs.
Fig. 8 ist eine perspektivische Explosionsansicht des in Fig. 6 gezeigten vorgeformten Halbzeugs, welche die Laminierungsstruktur des vorgeformten Halbzeugs zeigt.
Fig. 9 ist eine Draufsicht eines Verstärkungswebstoffs gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 10 ist eine vergrößerte teilweise Querschnittansicht des in Fig. 9 gezeigten Verstärkungswebstoffs, wenn der Webstoff zur Verwendung in einem vorgeformten Halbzeug ausgebildet ist.
Fig. 11 ist eine schematische Explosionsdraufsicht eines vorgeformten Halbzeugs, das mit einer Vielzahl der in Fig. 9 gezeigten Verstärkungswebstoffe gebildet ist.
Fig. 12 ist eine Draufsicht eines Verstärkungswebstoffs gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren 13 bis 16 sind Draufsichten von Abwandlungen des in Fig. 12 gezeigten Verstärkungswebstoffs.
Fig. 17 ist eine teilweise perspektivische Ansicht eines Trägers gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 18 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Laminierung eines vorgeformten Halbzeugs zur Verwendung beim in Fig. 17 gezeigten Träger.
Die Figuren 19 bis 22 sind teilweise perspektivische Ansichten von Trägern gemäß anderer Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
Die Figuren 23 bis 25 sind perspektivische Ansichten von Strukturelementen, auf die faserverstärkte Verbundwerkstoffe gemäß vorliegender Erfindung angewandt werden können.
Fig. 26 ist eine Querschnittansicht eines Körpers eines Flugzeugs, an dem Träger gemäß vorliegender Erfindung angebracht sind.
Fig. 27 ist eine vergrößerte teilweise vertikale Schnittansicht des in Fig. 26 gzeigten Körpers entlang der Linie Z-Z von Fig. 26.
Einige bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden in der Folge unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Fig. 4 stellt einen Verstärkungswebstoff 21 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Der Verstärkungswebstoff 21 ist eine Leinwandbindung, die eine Vielzahl von Kettfäden 22 umfaßt, die sich in Längsrichtung des Gewebes an beiden Seitenendabschnitten A und A parallel zueinander erstrecken und aus Verstärkungsfilamentgarnen bestehen, die jeweils eine relativ große Garngröße aufweisen, eine Vielzahl von Kettfäden 23, die sich an einem Abschittt B (mittleren Abschnitt) mit Ausnahme der beiden Seitenendabschnitte A und A parallel zueinander in die gleiche Längsrichtung erstrecken und aus Verstärkungsfilamentgarnen bestehen, die jweils eine relativ kleine Garngröße aufweisen, sowie eine Vielzahl von Schußfäden 24, die sich in einem Winkel von + 450 relativ zur Längsrichtung parallel zueinander quer über die Kettfäden 22 und 23 erstrecken und aus Verstärkungsfilamentgarnen bestehen. Bei dieser Ausführungsform bestehen die Verstärkungsfilementgarne der Kettfäden 22 und Schußfäden 24 aus Kohlenstoffasern, und die Verstärkungsfilamentgarne der Kettfäden 23 bestehen aus Glasfasern. Wie auch in Fig. 5 gezeigt, sind die Abschnitte A und A Abschnitte mit einer hohen Dichte an Kettfäden, und Abschnitt B ist ein Abschnitt mit einer geringen Dichte an Kettfäden. Die Webkantenabschnitte sind als gebundene Webkanten ausgebildet, die durch Bindungsgarne 25 gebunden sind, die aus Glasfasern mit kleinem Denier bestehen, um zu verhindern, daß die Webkanten zerrissen werden.
Bei diesem Verstärkungswebstoff 21 haben die Kettfäden 22 und Schußföden 24 hauptsächlich die Verstärkungsfunktion, und die Kettfäden 23 haben hauptsächlich die Funktion, die Webstruktur beizubehalten, obwohl die Kettfäden 23 bis zu einem gewissen Grad auch die Verstärkungsfunktion aufweisen. Wenn der Verstärkungswebstoff 21 mit der Oberflächenseite nach hinten gedreht wird, wird er ein Verstärkungswebstoff, worin die Schußfäden 24 sich in einem Winkel von -45º relativ zu den Kettfäden 22 und 23 schräg erstrecken. In der Folge wird ein solcher Verstärkungswebstoff als ein Verstärkungswebstoff 21a bezeichnet.
Fig. 6 zeigt ein vorgeformtes Halbzeug 29 zum Formen eines Z-förmigen Trägers. Die obigen Verstärkungswebstoffe 21 und 21a sind laminiert und durch Zusammenheften durch Heftgarne 28 mit einem Einfachkettenstich vereinigt, sodaß Kettfäden 22 und 23 sich in die Längsrichtung des vorgeformten Halbzeugs (d.h. die Längsrichtung des Trägers) erstrecken, die Ausdehnungsrichtungen der Schußfäden 24 der jeweiligen Verstärkungswebstoffe sind relativ zur mittleren Laminierungsoberfläche der Verstärkungswebstoffe spiegelsymmetrisch festgelegt, die Abschnitte A und A ensprechen den flanschbildenden Abschnitten des vorgeformten Halbzeugs und Abschnitt B entspricht dem stegbildenden Abschnitt des vorgeformten Halbzeugs. Genauer ist, wie an einem Teil einer einzelnen Schicht aus dem Verstärkungswebstoff 21 in Fig. 7 gezeigt ist, Abschnitt A mit einer hohen Dichte an Kettfäden, der Kettfäden 22 aus Kohlenstoffasern umfaßt, an einem flanschbildenden Abschnitt 27a (27b) angeordnet, und Abschnitt B mit einer geringen Dichte an Kettfäden, der Kettfäden 23 aus Glasfasern umfaßt, am stegbildenden Abschnitt 26 angeordnet. Demgemäß sind, wenn ein Z-förmiger Träger unter Verwendung des vorgeformten Halbzeugs 29 geformt ist, Schußfäden 24 mit einer Verstärkungsfunktion im Steg des Trägers entlang der Richtungen mit Winkeln von ± 45º relativ zur Längsrichtung des Trägers angeordnet, und Kettfäden 22 mit einer Verstärkungsfunktion sind im Flansch des Trägers entlang der Längsrichtung des Trägers angeordnet. In Fig. 8 zeigen Pfeile die Ausdehnungsrichtungen von Schußfäden 24. In diesem Träger nehmen die Kettfäden 22 hauptsächlich die im Träger erzeugte Biegebeanspruchung auf, und die Schußfäden 24 nehmen hauptsächlich die im Träger erzeugte Scherbeanspruchung auf. Im vorgeformten Halbzeug können zusätzliche Substrate neben den obigen Verstärkungswebstoffen vorgesehen sein, um das Durcheinanderbringen der Webstruktur der Verstärkungswebstoffe oder das Biegen der Kettfäden oder der Schußfäden zu verhindern, wenn die Webstoffe geheftet werden, oder um eine Elektrokorrosion des Trägers zu verhindern. Beispielsweise kann ein Müll- bzw. Scrimtuch, das aus Glasfasern als ein elektrisch isolierendes Substrat besteht, an jeder der äußersten Schichten aus dem vorgeformten Haltzeug vorgesehen sein, um dem zu erhaltenden Träger die Eigenschaft der Beständigkeit gegen Elektrokorrosion zu verleihen.
Bei der Bildung eines solchen Trägers wie oben beschrieben können die Verstärkungsfilamentgarne in den Verstärkungswebstoffen an gewünschten Abschnitten und entlang gewünschter Richtungen sehr einfach angeordnet werden, indem lediglich die Verstärkungswebstoffe nacheinander laminiert werden. Daher ist es nicht nur nicht notwendig, getrennt voneinander im Steg ±45º-Schichten und in den Flanschen 0º-Schichten zu bilden, wie nach dem Stand der Technik beschrieben, sondern es kann auch die Delaminierung zwischen den ±45º-Schichten und den 0º-Schichten wirksam verhindert werden, da die Kettfäden mit einer erforderlichen Funktion und die Schußfäden mit einer erforderlichen Funktion selbst in den gleichen Verstärkungswebstoff gewebt werden.
Fig. 9 stellt einen Verstärkungswebstoff nach einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar. Bei dieser Ausführungsform ist der Verstärkungswebstoff als ein Webstoff 31 mit einer nichtkräuselnden faserigen Struktur bzw. Anordnung ausgebildet. Bei der nichtkräuselnden faserigen Struktur sind Kettfäden 32, die aus Vestärkungsfilamentgarnen aus Kohlenstoffasern bestehen, die sich im wesentlichen gerade erstrecken und im wesentlichen keine Kräusel aufweisen, wie solche, auf denen sich eine Belastung konzentriert, und Schußfäden 33, die aus Verstärkungsfilamentgarnen aus Kohlenstoffasern bestehen, die sich im wesentlichen gerade erstrecken, durch Hilfsfilamentgarne 34 verinigt, die aus Glasfasern bestehen. Jeder der Verstärkungswebstoffe 31 weist flanschbildende Abschnitte A und A und einen stegbildenden Abschnitt B zum Bilden eines Trägers auf. Schußfäden 32 sind in den flanschbildenden Abschnitten A und A angeordnet, und und bei dieser Ausführungsform sind die Kettfäden nicht im stegbildenden Abschnitt B angeordnet. Daher wird der stegbildende Abschnitt B nur durch Schußfäden 33 und Hilfsfilamentgarne 34 gebildet. Ein Teil der einzelnen Schicht des Verstärkungswebstoffs in einem vorgeformten Halbzeug ist wie in Fig. 10 gezeigt ausgebildet. Der flanschbildende Abschnitt A ist durch Kettfäden 32 verstärkt, und der stegbildende Abschnitt B ist durch Schußfäden 33 verstärkt, die einander schneiden, indem sie eine Laminierungsstruktur darstellen, die der in Fig. 8 gezeigten ähnlich ist.
Die Laminierung von Verstärkungswebstoffen 31 zum Bilden eines vorgeformten Halbzeugs wird beispielsweise wie in Fig. 11 gezeigt durchgeführt. Beim in Fig. 11 gezeigten Beispiel sind die Verstärkungswebstoffe 31, bei denen sich jeweils die Kettfäden 32 in 0º-Richtung (die Längsrichtung des vorgeformten Halbzeugs) erstrecken und die Schußfäden 33 in ±45º-Richtung erstrecken, und die Verstärkungswebstoffe 31a, bei denen sich jeweils die Kettfäden 32 in 0º-Richtung erstrecken und die Schußfäden 33 in -45º-Richtung erstrecken, durch vier Bahnen auf jeder Seite einer mittleren Oberfläche 35 der Laminierung spiegelsymmetrisch relativ zur mittleren Oberfläche laminiert. Zwei 0º/90º-Verstärkungswebstoffe 36, die aus Kohlenstoffasern bestehen, sind weiters an jeder der äußersten Oberflächen dieser Vorspannungslaminierung laminiert, die aus 8 Schichten besteht, um die Festigkeit des faserverstärkten Verbundwerkstoffs zu erhöhen. Weiters ist, da die obigen aus Kohlenstoffasern bestehenden Verstärkungswebstoffe spezifische elektrische Leitfähigkeit aufweisen, ein aus Glasfasern bestehendes Scrimtuch 37 an jeder der äußersten Schichten vorgesehen, um den Oberflächen eines faserverstärkten Verbundwerkstoffs Widerstandsfähigkeit gegen Elektrokorrosion zu verleiehen. Bei der Laminierung kann ein 0º/90º-, 0º- oder 90º-Verstärkungswebstoff an einer Position angeordnet sein, die der Position der mittleren Oberfläche 35 entspricht. Darüberhinaus ist vorzugsweise die gleiche gerade Anzahl an Verstärkungswebstoffen 31 und 31a von der mittleren Oberfläche 35 in entgegengesetzte Laminierungsrichtungen laminiert, um das Festigkeitsgleichgewicht in verschiedenen Richtungen beizubehalten.
Fig. 12 veranschaulicht einen Verstärkungswebstoff 41 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Verstärkungswebstoff 41 sind Kettfäden 42 und 43 und Schußfäden 44 an ihren Schnittstellen durch ein Bindungsmaterial 45 aus einem thermoplastischen Polymer aneinander befestigt. Dieses Befestigen wird auf solche Art durchgeführt, daß thermoplastische Polymergarne gemeinsam mit Kettfäden 42 und 43 zugeführt werden, wenn das Gewebe gewebt wird, die thermoplastischen Polymergarne nach dem Weben geschmolzen werden und die Kettfäden und Schußfäden 44 durch die geschmolzenen thermoplastischen Polymergarne aneinandergebunden werden. Bindungsmaterialien 45 aus einem thermoplastischen Polymer erstrecken sich zwar bei dieser Ausführungsform kontinuierlich, sie können aber Bindungsmaterialien 46 sein, die sich diskontinuierlich erstrecken, wie in Fig. 13 gezeigt. Weiters können die Bindungsmaterialien 45 oder 46 entlang jedem zweiten Kettfaden 42 oder 43 oder jeweils mehreren Kettfäden angeordnet sein. Sol ange Kettfäden 42 und 43 und Schußfäden 44 die Webstruktur aufrechterhalten können, ist jede Anordnung der Bindungsmaterialien möglich.
Weiters kann die Anordnung und die Ausdehnung der Bindungsmaterialien verschiedentlich modifiziert werden. Bei einem in Fig. 14 gezeigten Verstärkungwebstoff 51 erstrecken sich Bindungsmaterialien 52 aus einem thermoplastischen Polymer entlang Schußfäden 44. Bei einem in Fig. 15 gezeigten Verstärkungswebstoff 61 erstrecken sich Bindungsmaterialien 62 und 63 aus einem thermoplastischen Polymer entlang sowohl Kettfäden 42 und 43 als auch Schußfäden 44. Bei einem in Fig. 16 gezeigten Verstärkungswebstoff 71 erstrecken sich Bindungsmaterialien 72 aus einem thermoplastischen Polymer entlang Kettfäden 42 und 43, sodaß sie sich spiralförmig um die Kettfäden winden. Das Bindungsmaterial 72 kann sich entlang sowohl den Kettfäden als auch den Schußfäden erstrecken. Auch bei der in den Figuren 14 bis 16 gezeigten Ausführungsform können sich die Bindungsmaterialien 52, 62 und 63 oder 72 diskontinuierlich erstrecken und können entlang jedem zweiten Kettfaden 42 und 43 oder Schußfaden 44 oder jeweils mehreren Kettfäden oder Schußfäden angeordnet sein.
Das vorgeformte Material gemäß vorliegender Erfindung kann zum Formen verschiedener faserverstärkter Verbundmaterialien verwendet werden und ist besonders geeigten zum Formen von Trägern.
Die Figuren 17 und 18 stellen einen I-förmigen oder H-förmigen Träger und ein Beispiel der Laminierungsstruktur zum Bilden eines vorgeformten Halbzeugs für den Träger dar. Beispielsweise wird, wie in Fig. 18 gezeigt, ein vorgeformtes Halbzeug unter Verwendung der gleichen Verstärkungswebstoffe 31 und 31a wie den in Fig. 11 gezeigten gebildet, die 0º-/+45º-Verstärkungswebstoffe 31 und die 0º-/-45º-Verstärkungswebstoffe 31a werden spiegelsymmetrisch relativ zur mittleren Laminierungsoberfläche laminiert, und zwei Bahnen aus 0º-/90º-Verstärkungswebstoffen 36 werden als jede äußerste Schicht laminiert. Dieses Laminierungsmaterial ist an seinen Endabschnitten geöffnet, um eine I-Gestalt oder H-Gestalt zu bilden, und 0º-/90º-Verstärkungswebstoffe werden weiter auf die Deckfläche und die Bodenfläche der geöffneten Abschnitt des Laminierungsmaterials laminiert. So kann ein vorgeformtes Halbzeug für einen in Fig. 17 gezeigten Träger 81 hergestellt werden. Der Träger 81 wird geformt, indem das vorgeformte Halbzeug mit einem erforderlichen Harz oder Metall imprägniert wird.
Was die Gestalt des Trägers betrifft, können verschiedene andere Gestalten als die oben beschriebene Z-Form, I-Form und H-Form verwendet werden. Beispielsweise kann wie erforderlich ein in Fig. 19 gezeigter C-förmiger Träger 82, ein in Fig. 20 gezeigter T-förmiger Träger 83, ein in Fig. 21 gezeigter H-förmiger Träger 84 und ein in Fig. 22 gezeigter C-förmiger Träger 85 geformt werden.
Weiters kann der faserverstärkte Verbundwerkstoff gemäß vorliegender Erfindung auf verschiedene andere Strukturelemente als Träger angewandt werden, die hohe Festigkeit erfordern. Beispielsweise können eine in Fig. 23 gezeigte Aussteifung 91, eine in Fig. 24 gezeigte unregelmäßige Platte 92 und ein in Fig. 25 gezeigtes zylindrisches Strukturelement 93 geformt werden.
Der faserverstärkte Verbundwerkstoff gemäß vorliegender Erfindung ist für Träger geeignet, insbesondere die Träger, bei denen erforderlich ist, daß sie die Eigenschaften eines leichten Gewichts und hoher Festigkeit aufweisen, wie die bei Flugzeugen, Schiffen oder Fahrzeugen verwendeten Träger oder Rahmenelemente. Beispielsweise zeigen die Figuren 26 und 27 ein Beispiel, worin das faserverstärkte Verbundmaterial gemäß vorliegender Erfindung auf die in einem Körper 101 eines Flugzeugs verwendeten Träger angewandt wird. Der Körper 101 ist als eine Doppelkörperkonstruktion ausgebildet, die einen inneren Körper 102 und einen äußeren Körper 103 umfaßt. Die dem in Fig. 17 gemäß vorliegender Erfindung ähnlichen Träger können auf die Träger 104 angewandt werden, die zwischen innerem Körper 102 und äußeren Körper 103 angeordnet sind, auf die Träger 107, die zwischen einer Kabine 105 und einem Laderaum 106 angeordnet sind, und auf die Träger 108, die unter dem Boden des Laderaums angeordnet sind.

Claims

1. Verstärkungswebstoff zur Verwendung für faserverstärkte Verbundwerkstoffe, umfassend:

eine Vielzahl von Kettfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in die Längsrichtung des genannten Verstärkungswebstoffes parallel zueinander in einer bahnartiger Form erstrecken, wobei die genannten Kettfäden in der Querrichtung zum genannten Verstärkungswebstoff angeordnet sind, um einen Abschnitt mit hoher Dichte aus den genannten Kettfäden und einen Abschnitt mit geringer Dichte aus den genannten Kettfäden zu bilden; und

eine Vielzahl von Schußfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in eine Richtung über die genannten Kettfäden und schräg zur Ausdehnungsrichtung der genannten Kettfäden parallel zueinander in einer bahnartigen Form erstrecken.

2. Verstärkungswebstoff nach Anspruch 1, worin die genannten Verstärkungsfilamentgarne der genannten Kettfäden und Schußfäden Multifilgarne mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul sind, die aus zumindest einem Bestandteil bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoffasern, Glasfasern, Polyaramidfasern, Polyätherätherketonfasern, Siliziumkarbidfasern, Tonerdefasern und Tonerdesilikafasern besteht.

3. Verstärkungswebstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden als eine Leinwandbindungs-, Diagonalbindungs- oder Satin-Bindungsstruktur gewebt sind.

4. Verstärkungswebstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 2, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden sich im wesentlichen gerade erstrecken und durch Hilfsfilamentgarne in einem gehalten werden, um eine nichtkräuselnde faserige Anordnung zu bilden.

5. Verstärkungswebstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die genannten Schußfäden sich in einem Winkel im Bereich von 45º + 15º schräg zu den genannen Kettfäden erstrecken.

6. Verstärkungswebstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden an ihren Schnittstellen durch ein thermoplastisches Polymer aneinander befestigt gehalten werden.

7. Verstärkungswebstoff nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der genannte Abschnitt mit hoher Dichte der genannten Kettfäden zumindest an einem Seitenendabschnitt des genannten Verstärkungswebstoffs in Querrichtung zum genannten Verstärkungswebstoff vorhanden ist.

8. Vorgeformtes Halbzeug zur Verwendung für faserverstärkte Verbundwerkstoffe, wobei das genannte vorgeformte Halbzeug eine Vielzahl von Verstärkungswebstoffen aufweist, die laminiert und miteinander vereinigt sind, wobei jeder der genannten Verstärkungswebstoffe (a) eine Vielzahl von Kettfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in die Längsrichtung des genannten Verstärkungswebstoffs parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken, wobei die genannten Kettfäden in der Querrichtung zum genannten Verstärkungswebstoff angeordnet sind, um einen Abschnitt mit hoher Dichte der genannten Kettfäden und einen Abschnitt mit geringer Dichte der genannten Kettfäden zu bilden, und (b) eine Vielzahl von Schußfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen umfassen, die sich in eine Richtung über die genannten Kettfäden und schräg zur Ausdehnungsrichtung der genannten Kettfäden parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken; wobei die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen so laminiert sind, daß die Abschnitte mit der genannten hohen Dichte der genannten Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind und die Abschnitte mit der genannten geringen Dichte der genannten Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind.

9. Vorgeformtes Halbzeug nach Anspruch 8, worin die genannten Verstärkungsfilamentgarne der genannten Kettfäden und Schußfäden Multifilgarne mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul sind, die aus zumindest einem Bestandteil bestehen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoffasern, Glasfasern, Polyaramidfasern, Polyätherätherketonfasern, Siliziumkarbidfasern, Tonerdefasern und Tonerdesilikafasern besteht.

10. Vorgeformtes Halbzeug nach einem der Ansprüche 8 und 9, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden als eine Leinwandbindungs-, Diagonalbindungs- und Satin-Bindungsstruktur gewebt sind.

11. Vorgeformtes Halbzeug nach einem der Ansprüche 8 und 9, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden sich im wesentlichen gerade erstrecken und durch Hilfsfilamentgarne in einem gehalten werden, um eine nichtkräuselnde faserige Anordnung zu bilden.

12. Vorgeformtes Halbzeug nach einem der Ansprüche 9 bis 11, worin die genannten Schußfäden sich schräg zu den genannten Kettfäden in einem Winkel im Bereich von 45º± 15º erstrecken.

13. Vorgeformtes Halbzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 12, worin der genannte Abschnitt mit hoher Dichte der. genannten Kettfäden zumindest an einem Seitenendabschnitt des genannten Verstärkungswebstoffs in Querrichtung zum genannten Verstärkungswebstoff vorhanden ist.

14. Vorgeformtes Halbzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 13, worin die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen so laminiert sind, daß die Ausdehnungsrichtungen der genannten Kettfäden und Schußfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe spiegelgleich relativ zur mittleren Laminierungsoberfläche der genannten Vielzahl von Verstärkungswebstoffen festgelegt sind.

15. Vorgeformtes Halbzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 14, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden an ihren Schnittstellen durch ein thermoplastisches Polymer aneinander befestigt sind und die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen durch das genannte thermoplastische Polymer vereinigt sind.

16. Vorgeformtes Halbzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 14, worin die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen durch das Zusammenheften durch Heftgarne miteinander vereinigt sind, die Verstärkungsfilamentgarne sind, die aus zumindest einem Bestandteil bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoffasern, Glasfasern, Polyaramidfaser, Polyätherätherketonfasern, Siliziumkarbidfasern, Tonerdefasern und Tonerdesilikafasern besteht, und eine höhere Bruchdehnung als jene von sowohl den genannten Kettfäden als auch Schußfäden aufweist.

17. Vorgeformtes Halbzeug nach einem der Ansprüche 8 bis 16, worin das genannte vorgeformte Halbzeug ein vorgeformtes Halbzeug mit einem flanschbildenden Abschnitt und einem stegbildenden Abschnitt zur Verwendung in einem Träger ist und die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen so laminiert sind, daß die Abschnitte mit der genannten hohen Dichte der genannten Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe am genannten flanschbildenden Abschnitt angeordnet sind, die genannten Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe sich in die Längsrichtung des genannten flanschbildenden Abschnitts erstrecken und die Abschnitte mit der genannten geringen Dichte der genannten Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe am genannten stegbildenden Abschnitt angeordnet sind.

18. Faserverstärkter Verbundwerkstoff, der ein vorgeformtes Halbzeug umfaßt, das aus einer Vielzahl von Verstärkungswebstoffen, die laminiert und miteinander zusammengefügt sind, und einer die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen enthaltenden Matrix besteht, wobei jeder der genannten Verstärkungswebstoffe (a) eine Vielzahl von Kettfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in Längsrichtung des genannten Verstärkungswebstoffes parallel zueinander in einer bahnartigen Form erstrecken, wobei die genannten Kettfäden in Querrichtung des genannten Verstärkungswebstoffs angeordnet sind, um einen Abschnitt mit hoher Dichte der genannten Kettfäden und einen Abschnitt mit geringer Dichte der genannten Kettfäden zu bilden, und (b) eine Vielzahl von Schußfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen umfaßt, die sich in eine Richtung quer über die genannten Kettfäden und schräg zur Ausdehnungsrichtung der genannten Kettfäden parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken; wobei die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen so laminiert ist, daß die Abschnitte mit der genannten hohen Dichte der genannten Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind und die Abschnitte mit der genannten geringen Dichte der genannten Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind.

19. Faserverstärkter Verbundwerkstoff nach Anspruch 18, worin die genannten Verstärkungsfilamentgarne der genannten Kettfäden und Schußfäden Multifilgarne mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul sind, die aus zumindest einem Bestandteil bestehen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoffasern, Glasfasern, Polyaramidfasern, Polyätherätherketonfasern, Siliziumkarbidfasern, Tonerdefasern und Tonerdesilikafasern besteht.

20. Faserverstärkter Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 18 und 19, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden als eine Leinwandbindungs-, Diagonalbindungs- und Satin-Bindungsstruktur gewebt sind.

21. Faserverstärkter Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 18 und 19, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden sich im wesentlichen gerade erstrecken und von Hilfsfilamentgarnen in einem gehalten werden, um eine nichtkräuselnde faserige Anordnung zu bilden.

22. Faserverstärkter Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 18 bis 21, worin die genannten Schußfäden sich in einem Winkel im Bereich von 45º ± 15º schräg zu den genannten Kettfäden erstrecken.

23. Faserverstärkter Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 18 bis 22, worin der genannte Abschnitt mit hoher Dichte der genannten Kettfäden zumindest an einem Seitenendabschnitt des genannten Verstärkungswebstoffs in Querrichtung des genannten Verstärkungswebstoffs vorhanden ist.

24. Faserverstärkter Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 18 bis 23, worin die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen so laminiert sind, daß die Ausdehnungsrichtungen der genannten Kettfäden und Schußfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe spiegelgleich relativ zur mittleren Laminierungsoberfläche der genannten Vielzahl von Verstärkungswebstoffen festgelegt sind.

25. Faserverstärkter Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 18 bis 24, worin die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen durch Aneinanderheften durch Heftgarne aneinandergefügt sind, die Verstärkungsfilamentgarne sind, die aus zumindest einem Bestandteil bestehen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoffasern, Glasfasern, Polyaramidfasern, Polyätherätherketonfasern, Siliziumkarbidfasern, Tonerdefasern und Tonerdesilikafasern besteht, und die eine höhere Bruchdehnung als jene von sowohl den genannten Kettfäden als auch Schußfäden aufweist.

26. Ein Träger, der aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff konstruiert ist, wobei der genannte Träger einen Flansch und einen Steg aufweist, wobei der genannte faserverstärkte Verbundwerkstoff ein vorgeformtes Halbzeug umfaßt, das aus einer Vielzahl von Verstärkungswebstoffen, die laminiert und miteinander zusammengefügt sind, und einer die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen enthaltenden Matrix besteht; wobei jeder der genannten Verstärkungswebstoffe (a) eine Vielzahl von Kettfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen, die sich in Längsrichtung des genannten Verstärkungswebstoffs parallel zueinander in einer bahnartigen Form erstrecken, wobei die genannten Kettfäden in Querrichtung des genannten Verstärkungswebstoffs angeordnet sind, um einen Abschnitt mit hoher Dichte der genannten Kettfäden und einen Abschnitt mit geringer Dichte der genannten Kettfäden zu bilden, und (b) eine Vielzahl von Schußfäden aus Verstärkungsfilamentgarnen umfaßt, die sich in eine Richtung quer über die genannten Kettfäden und schräg zur Ausdehnungsrichtung der genannten Kettfäden parallel zueinander in bahnartiger Form erstrecken; wobei die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen so laminiert sind, daß die Abschnitte mit der genannten hohen Dichte der genannten Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind und die Abschnitte mit der genannten geringen Dichte der genanten Kettfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe aneinander angepaßt sind.

27. Träger nach Anspruch 26, worin die genannten Verstärkungsfilamentgarne der genannten Kettfäden und Schußfäden Multifilgarne mit hoher Festigkeit und hohem Elastizitätsmodul sind, die aus zumindest einem Element bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoffasern, Glasfasern, Polyaramidfasern, Polyätherätherketonfasern, Siliziumkarbidfasern, Tonerdefasern und Tonerdesilikafasern besteht.

28. Träger nach einem der Ansprüche 26 und 27, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden als eine Leinwandbindungs-, Diagonalbindungs- oder Satin-Bindungsstruktur gewebt sind.

29. Träger nach einem der Ansprüche 26 und 27, worin die genannten Kettfäden und Schußfäden sich im wesentlichen gerade erstrecken und von Hilfsfilamentgarnen in einem gehalten werden, um eine nichtkräuselnde faserige Anordnung zu bilden.

30. Träger nach einem der Ansprüche 26 bis 29, worin die genannten Schußfäden sich in einem Winkel im Bereich von 45º + 15º schräg zu den genannten Kettfäden erstrecken.

31. Träger nach einem der Ansprüche 26 bis 30, worin der genannte Abschnitt mit hoher Dichte der genannten Kettfäden zumindest an einem Seitenendabschnitt des genannten Verstärkungswebstoffs in Querrichtung des genannten Verstärkungswebstoffs vorhanden ist.

32. Träger nach einem der Ansprüche 26 bis 31, worin der genannte Abschnitt hoher Dichte der genannten Kettfäden eine Dichte der genannten Kettfäden aufweist, die zumindest das Dreifache derjenigen des genannten Abschnitts mit geringer Dichte der genannten Kettfäden ausmacht.

33. Träger nach einem der Ansprüche 26 bis 32, worin die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen so laminiert sind, daß die Ausdehnungsrichtungen der genannten Kettfäden und Schußfäden der jeweiligen Verstärkungswebstoffe spiegelgleich relativ zur mittleren Laminierungsoberfläche der genannten Vielzahl von Verstärkungswebstoffen festgelegt sind.

34. Träger nach einem der Ansprüche 26 bis 31, worin die genannte Vielzahl von Verstärkungswebstoffen durch Zusammenheften durch Heftgarne aneinandergefügt sind, die Verstärkungsfilamentgarne sind, die aus zumindest einem Bestandteil bestehen, der aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Kohlenstoffasern, Glasfasern, Polyaramidfasern, Polyätherätherketonfasern, Siliziumkarbidfasern, Tonderdefasern und Tonerdesilikafasern besteht, und eine höhere Bruchdehnung als jene von sowohl den genannten Kettfäden als auch Schußfäden aufweist.