DE69130111T2

DE69130111T2 - Verfahren zur herstellung eines verbundwerkstoffes sowie verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE69130111T2
Application number: DE69130111T
Authority: DE
Inventors: Mikko Sf-33560 Tampere Karttunen; Esa Sf-33580 Tampere Suokas
Original assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Current assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Priority date: 1990-05-31
Filing date: 1991-05-30
Publication date: 1999-01-21
Anticipated expiration: 2011-05-31
Also published as: AU7900591A; EP0532715A1; FI902718A0; CA2084197A1; FI85670C; WO1991018741A1; DE69130111D1; FI902718A; JPH05508591A; EP0532715B1; FI85670B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie auf einen Verbundwerkstoff nach Anspruch 11.
Definitionsgemäss ist ein Komposit eine Kombination von zwei oder mehreren Materialien. Werden zwei unterschiedliche Materialien in makroskopischer Grösse kombiniert, entsteht ein makroskopisch homogenes Material, das heisst ein Komposit. Das Komposit weist oft die besten Eigenschaften beider Komponenten auf und kann auch neue Eigenschaften haben. Komposite weisen meistens nachfolgende verbesserte Eigenschaften auf:
- Festigkeit
- Starrheit
- Gewicht
- äusseres Aussehen
- thermotechnische Eigenschaften
- Wärmeleitung
- Wärmeisolation
- Beständigkeit gegen Ermüdung
- Korrosionsbeständigkeit
- Verschleissfestigkeit
- Schallisolation Natürlich werden nich t sämtliche oben genannten Eigenschaften gleichzeitig erzielt. In letzter Zeit besteht ein grosses Interesse an Kompositen, da sie sich für Konstruktionen eignen, die leicht und zugleich starr und sehr fest sein müssen. Neue Kompositmaterialien wurden insbesondere für die Flugzeugindustrie und für die Raumfahrt entwickelt. Bisher wurden thermohärtende Kunststoffe mit Vernetzung durch Erhitzen, wie Polyester- und Epoxyharze als Matrix für Komposite verwendet, dies ändert sich aber allmählich durch die Entwicklung von neuen technischen thermoplastischen Materialien, die gute physikalische Eigenschaften aufweisen. Die Eigenschaften der Komposite sind zur Hauptsache den durchgehenden technischen Fasern zuzuschreiben, die seit dem zweiten Weltkrieg erhältlich sind. Die wichtigsten sind Kohlenstoff-, Aramid- und Glasfasern (in dieser Reihenfolge) sowie beispielsweise keramisches Bor, Silizium-Karbid und Aluminiumoxid. Bekannte Matrizen für formhaltige Komposite sind thermisch vernetzbare Epoxyharze, Polyester, Polyamid, Phenol, Vinylester und Silizium. Relativ gute thermotechnische Eigenschaften, mittlere chemische Beständigkeit sowie Formbeständigkeit sind die Vorteile der thermohärtenden Kunststoffe.
Während des letzten Jahrzehnts hat die Komposit-Technologie mit thermohärtenden Matrizen einen Stand erreicht, bei dem die Gegenstände ausreichende Leistungsfähigkeit aufweisen bei gleichzeitigen vorteilhaften Herstellungsverfahren. Die Sprödheit, Feuchtigkeitsempfindlichkeit und das langsame Herstellungsverfahren zusammen mit der kurzen Lagerzeit der Grundstoffe haben die Weiterentwicklung der thermohärtenden Komposite gebremst. Die bekannten thermohärtenden Matrizen weisen eine langsame Vernetzungsreaktion auf, welche die Herstellungszeit des Gegenstandes verlängert und das Herstellungsverfahren verteuert.
Eine Verwendung von thermoplastischen Matrizen für Komposite stimuliert die Entwicklungsarbeit von neuen technischen Polymeren wie Polypropen (PP), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon (PEEK) und Polyethersulphon (PES) Kurz gesagt, die nachfolgenden Faktoren werden einen Durchbruch der thermoplastischen Matrizen bewirken, nämlich:
- eine grössere Steifheit, die sich z. B. durch eine grössere Druckfestigkeit und einen grösseren Widerstand gegen Rissbildung in einer laminierten Platte nach einem harten Stoss im Vergleich zu thermohärtendem Kunststoff ausweist;
- geringere Empfindlichkeit gegen Feuchtigkeit, das heisst weniger hygroskopisch;
- höhere Temperaturbeständigkeit (bei gewissen Polymeren)
- bessere Beständigkeit gegen Chemikalien (bei gewissen Polymeren);
- höhere Durckfestigkeit bei Hitze und in feuchtem Zustand;
- leichtere physikalische Thermoformgebung und/oder Druckformgebung;
- die Thermoformgebung und/oder die Druckformgebung kann mehrmals wiederholt werden und zerbrochene Strukturen können repariert werden;
- fehlerhafte Stücke und Abfälle bei der Fertigung sind als Rohstoff z. B. für Spritzguss verwendbar;
- geringere Herstellungskosten, z. B. infolge der Lagerbeständigkeit des thermoplastischen Granulats, die fast unendlich ist und keine teure Kühlung erfordert;
- Gegenstände, die aus unterschiedlichen Materialposten hergestellt werden sind von besserer einheitlicher Qualität;
- die Möglichkeit, Metalle einzugiessen. Die Luftfahrtindustrie verwendet immer mehr thermoplastische Komposite mit durchgehenden Fasern, weil sie in warmer und feuchter Umgebung besser beständig sind als thermohärtende Komposite. Wenn thermoplastische Kunststoffe verwendet werden, dienen sie meistens als Matrix der Komposite, wobei sie entweder als Film extrudiert oder defibriert werden.
Bekannte Verfahren zur Herstellung von thermoplastischen Kompositen sind beispielsweise:
- Wechselweises Aufeinanderstapeln von Matrixfilmen und Verstärkungsfasern und nachfolgende Druckformung (film stacking);
- gemischte Fasern, Garn und Gewebe (Gemisch aus Verstärkungen und Matrixfasern);
- Pulverimprägnierung;
- flüssige Imprägnierung;
- Schmelzimprägnierung z. B. mittels einer Schlittenform, durch Pultrusion und Wickeln.
Da die Viskosität von thermoplastischen Kunststoffen hoch ist, ist es schwierig, die verschiedenen Verstärkungsfasern gründlich damit zu tränken. Dazu kommt noch, dass die schmelzimprägnierten Platten sehr teure Druckformen benötigen, um sie in geformte Teile umzuwandeln. Die fertigen Gegenstände weisen Bereiche ohne Matrix und ungleichmässige Wandstärken auf. Möglicherweise werden die steifen Verstärkungsfasern bei der Druckformung verletzt oder geknickt, was die mechanischen Eigenschaften des fertigen Komposits vermindert. Werden gemischte Fasern verwendet, müssen sie zuerst zu Garn verarbeitet werden, wonach sie meist verwebt und laminiert und unter Druck und Hitze zu einem Gegenstand geformt werden.
Die Schwierigkeit bei den bisher bekannten Verfahren war ein Verstärkungsmaterial zu finden, welches sowohl eine gute Verstärkung bewirkte aber auch gut technisch zu verarbeiten war. Aus der US-Patentschrift US-A-3'934'064 ist ein Kompositprodukt bekannt geworden, das eine gestrickte Gewebeschicht enthält, die teilweise in einer Schicht aus Perhalopolyfluorethylen-Polymer-Harz eingebettet ist. Dies wird erreicht durch Ausüben von Druck und Hitze auf die Schicht. Dort, wo die Gewebeschicht freiliegt, kann ein thermohärtendes Mate rial aufgebracht werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass die als Matrix brauchbaren Materialien beschränkt sind. Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zur Trockenimprägnierung anzugeben, welches besonders geeignet ist für Anwendungen, bei denen eine bequeme Formgebung des Materials erforderlich ist, bevor es unter Druck erhitzt wird. Diese Aufgabe lässt sich lösen durch das im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Verfahren. Die Erfindung beruht auf der Verwendung einer Gewirkschicht, welche die Matrix verstärkt.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt, Komposite mit einer thermoplastischen Matrix kontinuierlich, gemäss bekannten Massenfabrikationsverfahren, mit hoher Geschwindigkeit und mit vernünftigen Kosten herzustellen. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren lässt sich die Matrix sehr gleichmässig über die Verstärkung verteilen. Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht, Gegenstände mit sehr unterschiedlicher Flächengeometrie herzustellen. Das trockenimprägnierte Halbfabrikat mit einer thermoplastischen Matrix (prepreg) ist vorzugsweise ein flexibles Produkt, welches gut beständig ist (sich drapieren lässt) und sich leicht an schwierige Formgeometrien anpassen lässt, wie z. B. sphärische Formen. Durch Hitze und Druck kann das genannte Halbfabrikat durch Druckformung zu einem Gegenstand geformt werden. Während das Halbfabrikat sich im erhitzte n Zustand befindet, kann es durch negativen oder positiven Druck in einen formhaltigen Gegenstand umgewandelt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren erlaubt daher eine durchgehende Herstellung von Gegenständen mit sehr unterschiedlichen Flächen und komplizierten geometrischen Formen, wobei die Herstellungskette die Zufuhr von Rohmaterial (Matrix-Filz und/oder Fasern und/oder Partikel und Gewirkschicht), eine Vorverbindung mit der Gewirkschicht, Erhitzen unter Druck sowie eine Nachbearbeitung umfasst. Auf diese Weise können beispielsweise diverse Innen- und Aussenteile einer Autokarosserie mit grosser Geschwindigkeit hergestellt werden. Am vorteilhaftesten ist es, das biegsame thermoplastische Halbfabrikat dem Endverbraucher zu liefern, der es mit Hitze und Druck in die Endform bringt.
Das gesamte Verfahren ist nicht auf thermoplastische Kunstharze beschränkt, sondern kann auch für die Herstellung von ähnlichen Gegenständen durch Karbonisieren verwendet werden, wobei die thermische Kompression durch einen Verbleib in einer Kammer in einer Schutzatmosphäre ersetzt wird. Werden beispielsweise Phenol-, Viscose- oder Polyacrylonitrilfasern als Matrix verwendet und besteht das Material der Gewirkschicht aus Mineral- oder Quarzfasern, kann die Matrix karbonisiert werden und es entsteht ein mit Kohlenstoff verstärktes gewirktes Gewebe. Wird beispielsweise Phenol verwendet, entsteht schlussendlich ein amorpher Kohlenstoff. Bestehen der Filz und die Gewirkschicht beide aus karbonisiertem Material, entsteht beim Karbonisieren ein Kohlenstoff/Kohlenstoff-Komposit, wobei die Verstärkungskomponente in Form eines gewirkten Gewebes erhalten bleibt. Die Schlagfestigkeit der genannten Komponenten ist grösser als diejenige der Materialien ohne Verstärkung.
Das Trockenimprägnierungsverfahren nach der Erfindung gestattet, verstärkte thermoplastische Komposite herzustellen, die beispielsweise bei Automobilen, Booten, Flugzeugen sowie beim Bau und bei der Verfahrensindustrie Anwendung finden.
Der erfindungsgemässe Kompositgegenstand zeichnet sich aus durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 11 genannten Merkmale. Die einheitliche feste Phase besteht aus Matrixmaterial, welches eine Gewirkschicht als Verstärkungsmaterial enthält. Die Vorteile der Gegenstände bestehen zusätzlich zu den Vorteilen bei deren Herstellung aus der Vielseitigkeit der Formen sowie in deren Festigkeit.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand der beigefügten Zeichnungen beschrieben. Sie zeigen in:
Fig. 1 einen Querschnitt durch einen festen Kompositgegenstand, hergestellt nach dem erfindungsgemässen Verfahren;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens;
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt einer Zwischenstufe des Produktes nach dem Verfahren;
Fig. 4 ebenfalls eine Zwischenstufe des Produktes nach einer Alternative des Verfahrens;
Fig. 5 eine Zwischenstufe des Produktes nach einer dritten Alternative des Verfahrens;
Fig. 6 zeigt die Möglichkeit, die Schichten des Verstärkungsmaterials im Produkt anzuordnen, einmal im Querschnitt senkrecht zur Fläche des Produktes und einmal parallel dazu;
Fig. 7 zeigt eine andere Möglichkeit, die Schichten des Verstärkungsmaterials im Produkt anzuordnen;
Fig. 8 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Schicht des Verstärkungsmaterials;
Fig. 9 die Garnart der Schicht nach Fig. 8.
Fig. 1 zeigt einen Teil eines formfesten Kompositgegenstandes, hergestellt nach dem erfindungsgemässen Verfahren. Wie bei allen Kompositen üblich, besteht der Gegenstand aus Matrixmaterial 6 und einer Schicht aus Verstärkungsmaterial, das mindestens teilweise im Matrixmaterial eingebettet ist. Im fertigen Produkt befindet sich das Matrixmaterial in seiner einheitlichen Phase ohne makroskopische Abgrenzungen zwischen einzelnen Stückchen des Matrixmaterials. Zusammen mit der Schicht aus Verstärkungsmaterial bildet die Matrix einen formfesten Gegenstand. Gemäss der Erfindung ist die Schicht 5 aus Verstärkungsmaterial eine Gewirkschicht, die leicht geformt werden kann und ihre Form beibehält während des Herstellungsverfahrens, das nachfolgend beschrieben wird.
Fig. 2 zeigt schematisch die wesentlichen Verfahrensschritte. Das Matrixmaterial 6 befindet sich in Form von festen Partikeln, die in Kontakt mit der Gewirkschicht gebracht und mit dieser verbunden werden (an den Stellen A und B). Auf diese Weise entsteht das sogenannte "prepreg" Halbfabrikat. Das Verfahren umfasst ferner eine Wärmebehandlung, wobei das Matrixmaterial 6 in die gewünschte Form gebracht wird, was dank der Verformbarkeit der Gewirkschicht 5 möglich ist. Danach wird es auf eine bestimmte Temperatur gebracht und kommt in die Endform des Gegenstandes (an der Stelle C.) Die Wärmebehandlung kann eine Formverdichtung des Matrixmaterials umfassen, wobei das Material infolge der Erhitzung schmilzt und die definitive Form bekommt, wobei sein Volumen geringer ist als dasjenige des "prepreg" Halbfabrikates. In diesem Fall sind die Partikel des Matrixmaterials ein geeignetes thermoplastisches Material, welches sich sowohl für die Formverdichtung als auch für die Herstellung von Gegenständen nach dem Trockenimprägnierungsverfahren verwenden lässt. Die Wärmebehandlung kann auch aus einem Karbonisieren des Matrixmaterials bestehen, wobei das Polymermaterial in einer geeigneten Schutzatmosphäre karbonisiert wird und in Kohlenstoff umgewandelt wird.
Die Fig. 3 und 4 zeigen Halbfabrikate, wie sie nach dem Durchlauf der Stelle B in Fig. 2 hervorgehen. Fig. 3 zeigt einen sogenannten Sandwichaufbau, bei dem die Gewirkschicht 5 zwischen zwei Filzschichten 6a und 6b liegt. Die Filzschichten 6a und 6b sind mit der Gewirkschicht durch Stiche verbunden, die einige Fasern daraus mitnehmen. Die Schichten 6a und 6b können auch an einander gegenüberliegenden Seiten der Gewirkschicht 5 angebracht werden in Form einer Mattenkarte statt in Form eines nicht gewebten Filzes. Auch in diesem Fall können sie durch Nadelstiche mit der Schicht 5 und miteinander verbunden werden.
Fig. 4 zeigt eine andere Ausführung, bei der die Matrixfasern in Form einer einzigen Filzschicht oder Mattenkarte 6 mit der Gewirkschicht S in Kontakt gebracht worden ist. Durch Nadelstiche wurde Matrixmaterial aus der Schicht in die Gewirkschicht gebracht, das heisst, dass die Gewirkschicht nicht auf der Oberfläche des Materials liegen bleibt. Es ist natürlich so, dass die Lage der Gewirkschicht 5 relativ zur Aussenseite der Schicht 6. aus Matrixmaterial und auch die Füllung der Gewirkschicht mit Matrixmaterial durch die Wahl der Nadeleinstichtiefe beeinflusst werden kann. Auf diese Weise kann ein Kompositgegenstand ähnlich der Fig. 1 hergestellt werden, bei dem beide Aussenflächen aus demselben Matrixmaterial bestehen und die Gewirkschicht ganz innerhalb der Aussenflächen liegt.
Die Ausführungsformen nach Fig. 3-4 lassen sich in der Praxis mit bekannten Fabrikationsmaschinen herstellen, bei denen das Matrixmaterial in Form einer oder mehrerer ununterbrochenen Schichten 6a, 6b und das Gewirk in einer oder mehreren ununterbrochenen Schichten 5 zusammengeführt (bei A in Fig. 2) und miteinander verbunden werden (bei B in Fig. 2).
Fig. 5 zeigt eine andere, von Fig. 3 und 4 abweichende, Ausführungsform, um das Matrixmaterial mit dem Gewirk 5 in Verbindung zu bringen. Das Matrixmaterial ist in Pulverform und die Pulverpartikel 6c werden bei der Stelle A in Fig. 1 mit dem Gewirk in Kontakt gebracht. Bei der Stelle B werden Kunststofffilme 6d auf beiden Seiten aufgebracht, die einmal von oben und einmal von unten zugeführt und auf die sich weiterbewegende Bahn angebracht werden. Dazu dient ein Abstand zwischen zwei Förderbändern. In Fig. 2 ist dies durch unterbrochene Linien angedeutet. Sie zeigt auch die Rollen 7, von denen die Filme abgezogen werden. Als Variante könnten die Filme auch in derselben Produktionslinie durch Extrusion hergestellt und auf die Matrix mit dem Gewirk angebracht werden.
Vorzugsweise bestehen die Filme aus demselben Material wie die Partikel 6c der Matrix. Sie werden bei der Wärmebehandlung geschmolzen (thermoplastische Polymere) oder karbonisiert (karbonisierbare Polymere) und gehen in eine einheitliche Phase über.
Es ist klar, dass das Matrixmaterial zusätzlich zu den Partikeln 6c auch faserförmiges Matrixmaterial enthalten kann, wie dies durch unterbrochene Linien in Fig. 5 dargestellt ist. Die Fasern können mit der Gewirkschicht 5 vor, danach oder gleichzeitig mit dem Anbringen des Pulvers aufgebracht werden. Bei den genannten Verfahren können die Nadelstiche vor dem Anbringen der Filme 6d angebracht werden. Die Pulvervariante ist besonders geeignet, wenn thermoplastisches Urethan verwendet wird, weil dieses durch Trockenimprägnierung mit dem Gewirk 5, die als Verstärkung dient, in Kontakt gebracht werden kann. Auf diese Weise lassen sich Gegenstände mit guter Schlagfestigkeit herstellen, wie Bälge, Förderbänder oder Schwingungsdämpfer. In diesem Fall schmelzen die Partikel 6c und die Filme 6d, die aus demselben Material bestehen, bei der Wärmebehandlung zu einer einheitlichen Matrixphase zusammen.
Ein Endprodukt mit mehreren Verstärkungsschichten lässt sich durch Aufeinanderstapeln von Verstärkungsschichten 5 herstellen, bevor diese der Wärmebehandlung unterworfen werden. Bei der Wärmebehandlung werden die Schichten miteinander zu einem Laminat verbunden.
Fig. 6 zeigt ein Zwischenprodukt nach einer dritten Variante, wobei zusätzlich zu der Gewirkschicht 5 parallel verlaufende Verstärkungselemente 5' angebracht sind, welche das Fertigprodukt in Richtung derselben verstärken, wenn dies erwünscht ist. Einige der durchgehenden Fäden können, wie Fig. 6 zeigt, innerhalb der Matrixmaterialschicht 6 aus Fasermaterial verlaufen. Diese Elemente können in der Produktionskette an der Stelle A nach Fig. 2 eingebracht werden, beispielsweise durch Zuführen der parallel verlaufenden Verstärkungselemente und der Gewirk übereinander bevor das Matrixmaterial angebracht wird, oder es kann eine Schicht aus Matrixmaterial dazwischen angebracht werden.
Fig. 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform mit zwei Gewirkschichten 5a und 5b, bei denen die Schlaufen kreuzweise verlaufen, um damit eine weitere Verstärkung in der Ebene der Verstärkungselemente zu schaffen. Dies kann geschehen durch Zufuhr der aufeinander liegenden Gewirkschichten bei der Stelle A oder auch nachher durch Zuführen kurz vor der Wärmebehandlung.
Jegliche thermoplastische Partikel, die durch Hitze und Druck verformt werden können, sind brauchbar als Matrixmaterial. Die Partikel können faserig sein und einen Filz bilden, der bei der Endbehandlung in eine einheitliche Matrix übergeht. Wie bereits oben beschrieben, können auch pulverförmige Partikel an der Stelle A auf die Gewirkbahn angebracht werden. Die Haftung der Partikel auf der Gewirkbahn kann anstatt durch Nadelstiche auch durch beidseitiges Einschliessen der pulverförmigen Partikel und der Gewirkbahn zwischen thermoplastische Filme erreicht werden.
Die thermoplastischen Filme bestehen aus demselben Material wie die Pulverpartikel. Sie können daher durch Erwärmung beidseitig mit der Matrix verbunden werden. Wie bereits erwähnt, können auch karbonisierbare Polymere als Matrixmaterial, entweder in faseriger oder pulverförmiger Form verwendet werden, deren Vorbehandlung auf gleiche Weise wie oben beschrieben geschieht.
Zusätzlich zum Matrixmaterial können auch aus der Kunststoff- und Komposit-Technologie bekannte Additive der Matrix beigefügt werden.
Das Garn für die Gewirkschicht 5 ist vorzugsweise einfaserig oder mehrfaserig und besteht aus Glasfasern, Kunststoff wie Polyester, Metall oder keramisches Material. Das Garn ist vorzugsweise texturiert, damit sich die Schlaufen beim Trockenimprägnieren besser füllen lassen. Fig. 8 zeigt eine Gewirkstruktur, die sich besonders gut für die Trockenimprägnierung nach der Erfindung eignet. Das Anhaften der Partikel des Matrixmaterials an das Gewirk 5 wird durch die Fasern 3, die seitlich aus dem Garn herausragen und die Schlaufen füllen, gefördert. Dadurch bekommt die Gewirkbahn eine grosse Festigkeit in ihrer Ebene, da die Fasern 3 für eine gute Imprägnierung durch die Partikel 6 des Matrixmaterials sorgen, was zu einer besseren Haftung zwischen dem Verstärkungsmaterial und der Matrix beiträgt und zu einem formfesten Produkt führt. Werden beispielsweise Fasern als Matrixmaterial verwendet, haften diese an den Fasern 3 der Gewirkschicht in den Schlaufen 4 während der Nadelstichprozedur. Die Haftung der Matrixmaterialschicht wird verbessert und die Bearbeitung des Zwischenprodukts wird vereinfacht.
Damit Fasern 3 in den Schlaufen nach Fig. 8 des Gewirks entstehen, wird ein Garn nach Fig. 9 verwendet. Das Garn umfasst einen durchgehenden Faden 1, der für die Zugfestigkeit sorgt. Der Faden kann ein Monofilament- oder ein Multifilament-Faden sein und kann beispielsweise aus Glasfasern oder anderen Fasern bestehen, die eine gute Zugfestigkeit aufweisen. Der Faden 2 ist ein faseriger Faden, der um den zentralen Faden 1 gewickelt ist und seitlich vorstehende Fasern 3 hat. Der faserige Faden ist vorzugsweise aus steifen technischen Fasern, wie Glasfasern, keramischen Fasern oder anderen anorganischen Fasern, Kohlenstofffasern oder synthetischen Polymerfasern wie Aramidfasern hergestellt. Dank der Steifheit der Fasern ragen diese seitlich heraus, wenn der Faden um das Garn gewickelt wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Gewirkschicht aus einem Mischgarn herzustellen, welches aus faserigen Fäden und Verstärkungsfasern gesponnen ist und auch Matrixfasern aus thermoplastischem Material enthält, die bei der Wärmebehandlung mit dem Matrixmaterial verschmelzen.
Ein Beispiel hierfür ist das sogenannte "Heltra"-Verfahren. Bei diesem Garn dienen Kohlenstofffasern als Verstärkungsfasern und PEEK (Polyetheretherketon) als Matrixfasern. Die Matrixfasern des Garnes bestehen vorzugsweise aus demselben Polymer.
Bei der Erfindung kann jede Form der Verknüpfung bei der Gewirkschicht Anwendung finden, wie eine flache Stichbindung, -eine Interlock-Stichbindung usw., je nach dem gewünschten Verhalten bei der Verformung und der Festigkeit. Die Wahl der Verknüpfungsart richtet sich nach dem Grad der Verformung des sogenannten "Prepreg"-Produktes und der Form des Endproduktes. Die Gewirkschicht ist besonders nützlich in dem Sinn, dass die Grösse der Verformbarkeit nicht von der Streckbarkeit des Garnes der Verstärkung sondern vom makroskopischen Aufbau der Gewirkschicht abhängig ist.
Sogar dann, wenn eine Herstellungskette nach Fig. 2 verwendet wird, die vom Rohmaterial ausgeht und beim fertig geformten Gegenstand endet, besteht die Möglichkeit, das relativ flexible Zwischenprodukt, das sogenannte "Prepreg"-Material nach den Stellen A und B zu entnehmen, zu lagern und zu einer ganz anderen Stelle zu bringen, wo das fertige Endprodukt (Stelle C) hergestellt wird.
Es ist klar, dass das Verhältnis von Matrixmaterial zum Verstärkungsmaterial bezogen auf das Gewicht des Fertigproduktes innerhalb gewisser Grenzen variabel sein kann. Das Gewicht vom Verstärkungsmaterial im Endprodukt beträgt vorzugsweise mehr als 50% und ein Verhältnis von 30% Matrix und 70% Verstärkung ist ein guter Massstab.
Das Matrixmaterial ist im Endprodukt vorzugsweise ein einheitliches Polymer, eine Mischung von zwei oder mehreren Polymeren ist denkbar, Voraussetzung dafür ist, dass die Polymere miteinander verträglich sind.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines geformten Komposit- Gegenstandes durch trockenes Imprägnieren, wobei ein Matrixmaterial, das aus einzelnen Feststoffpartikeln besteht mit einem Verstärkungsmaterial verbunden wird, wobei das Matrixmaterial einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um es in eine kontinuierliche Phase zu bringen, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial mindestens eine Gewirkschicht (5) umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Matrixmaterial in Form von Fasern in Kontakt mit der Gewirkschicht (5) gebracht wird und dass danach das Matrixmaterial behandelt wird, um es umzuwandeln.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixfasermaterial in Form von Schichten (6a,6b) an beiden Seiten der Gewirkschicht (5) angebracht wird, bevor es behandelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten (6a,6b) durch Nadelstiche mit der Gewirkschicht (5) verbunden werden.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrixfasern auf einer Seite der Gewirkschicht (5) angebracht und mittels Nadelstichen derart mit der Gewirkschicht verbunden werden, dass sich die Gewirkschicht (5) innerhalb der Matrixfaserschicht (6) befindet, bevor die Matrix behandelt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass pulverförmiges Matrixmaterial (6c) auf der Gewirkschicht (5) angebracht wird und dass danach die Matrixmaterialschicht vorzugsweise auf mindestens einer Seite durch eine Folie (6d) abgedeckt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Gewirkschicht (5) Verstärkungselemente (5') angebracht werden, welche sich hauptsächlich in einer Richtung erstrecken und mit dem Matrixmaterial in Kontakt gebracht sind.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ein thermoplastisches Material ist und dass die Wärmebehandlung zum Umwandeln des Matrixmaterials ein Schmelzen, Formen und Verfestigen des Matrixmaterials durch Erhitzen und Pressen umfasst.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenen Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens das Matrixmaterial aus einem karbonisierbaren Polymer, wie Phenol, Viscose oder Polyacrylonitrl in Form von Fasern oder Pulver besteht und dass die Umwandlung des Matrixmaterials ein Karbonisieren des Polymers in einer geeigneten Umgebung umfasst.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewirkschicht (5) Fasern (3) aufweist, welche seitlich aus dem Garn (1, 2) herausragen, aus welchem das Gewirk hergestellt ist, und dass Partikel (6) wie Fasern des Matrixmaterials sich an die vorgenannten Fasern anheften, bevor die Matrix behandelt wird.

11. Komposit-Gegenstand eine einheitliche Phase aufweist und der durch Wärmebehandlung eines Matrixmaterials in fester Fcrm hergestellt worden ist und zusätzlich ein Verstärkungsmaterial in der kontinuierlichen Phase umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial mindestens eine Gewirkschicht umfasst, die mit der einheitlichen Phase imprägniert ist welche ursprünglich aus einzelnen Partikeln bestand.

12. Komposit-Gegenstand nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Gewirkschicht (5) das Matrixmaterial Verstärkungselemente (5') enthält, die sich im wesentlichen in einer Richtung erstrecken.

13. Komposit-Gegenstand nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungselemente (5') im wesentlichen senkrecht zu der Richtung der Gewirkrippen oder Verschlingungen der Gewirkschicht verlaufen.

14. Komposit-Gegenstand nach einem der Ansprüche 11-13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungsmaterial Gewirkschichten (5a,5b) umfasst, bei denen die Gewirkrippen oder Verschlingungen kreuzweise verlaufen.

15. Komposit-Gegenstand nach einem der Ansprüche 11-14, dadurch gekennzeichnet, dass zwecks Verstärkung der Gewirkschicht in seiner Ebene und zur Verbesserung der Bindung zwischen der Matrix und der Gewirkschicht ein Garn verwendet wird, welches seitlich hervorragende Fasern aufweist, welche die Schlaufen in der Gewirkschicht auffüllen.