DE69328379T2

DE69328379T2 - Faser-Harzzusammensetzung

Info

Publication number: DE69328379T2
Application number: DE69328379T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Homma; Ikuo Horibe; Akira Nishimura
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1993-09-08
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2013-09-09
Also published as: DE69328379D1; EP0738794B1; EP0713934A2; DE69332720D1; HK1006936A1; US5662146A; DE69312831D1; EP0737765B1; EP0737765A2; HK1006937A1; JPH06136632A; JP2955145B2; EP0713934B1; EP0713934A3; EP0589286A1; US5455107A; DE69333148D1; EP0738794A2; EP0589286B1; DE69332720T2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Faser-Harz-Zusammensetzung, welche ein aus Kohlenstoffaser gewebtes Gewebe aufweist und ausgezeichnete Eigenschaften zeigt.
Die Druckschrift US 4,320,160 beschreibt eine Gewebestruktur für faserverstärkte Kunststoffe, bestehend aus zwei Garngruppen, welche aus geraden verstärkenden Einzelfasergarnen bestehend aus Kohlenstoffasern zusammengesetzt sind, welche frei von Bändern sind und in einer Richtung in der Form an eine Schicht erinnernd zusammengefaßt sind. Die Garngruppen sind miteinander durch Hilfs-Einzelgarne zusammengefaßt, so daß die schichtartigen Flächen der Garngruppen einander gegenüberliegend werden und verstärkende Einzelfadengarne einer Garngruppe verstärkende Einzelfadengarne der anderen Garngruppe schneiden. Die Hilfs-Einzelfadengarne haben eine höhere Bruchdehnung als die verstärkenden Einzelfadengarne. Da jedoch eine Mehrzahl von geraden verstärkenden Einzelfadengarnen in einer Richtung parallel zueinander ohne Kräuselung zusammengefaßt ist, sind die Hilfs-Einzelfadengarne, welche in rechten Winkeln zu den verstärkenden Einzelfadengarnen verlaufen, stark gekräuselt und halten die verstärkenden Einzelfadengarne fest. Somit entstehen Lücken zwischen den verstärkenden Einzelfadengarnen. Infolgedessen werden, wenn unter Verwendung dieser Gewebestruktur FRP hergestellt wird, dessen Oberflächen uneben und ein hoher Faseranteil kann nicht erhalten werden.
Allgemein gesagt wird ein aus Kohlenstoffasern gewebtes Gewebe, welches aus Kohlenstoffaser mit einem hohen spezifischen Young'schen Modul und einer hohen spezifischen Festigkeit gemacht wird, für gewöhnlich durch eine übliche Webmaschine oder Greiferwebmaschine gewebt. Ein derartiges gewebtes Gewebe aus Kohlenstoffaser wird häufig als Basis- Verstärkungsgewebe für zusammengesetzte Materialien verwendet, einschließlich Kohlenstoffaser-verstärkte Kunststoffe (nachfolgend als "CFRP" bezeichnet), wo sie mit einem Matrixharz zusammengesetzt und in eine spezielle Form gebracht werden.
Als ein zusammengesetztes Material unter Verwendung eines derartigen verstärkenden Basisgewebes wird beispielsweise CFRP zunehmend als Strukturmaterial oder dergleichen für Flugzeuge aufgrund seiner ausgezeichneten Eigenschaften verwendet. Um die Anwendungsgebiete von CFRP weiter auszudehnen, ist es wichtig, die Formungskosten und auch diejenigen der Kohlenstoffaser und des Basis-Verstärkungsgewebes für gewebtes Gewebe aus Kohlenstoffaser (nachfolgend als "CF-Gewebe" bezeichnet) zu verringern.
Das Kohlenstoffaser-Garn (nachfolgend als "CF-Garn" bezeichnet) kann mit höherer Herstellungsausbeute in dem Zwischenstoff-Oxidations- und Karbonisierungsprozeß und mit geringeren Kosten hergestellt werden, wenn die Garnnummer zunimmt.
Ein typisches CF-Gewebe wird jedoch aus einem CF-Garn gemacht, welches so zusammenhängt, daß es annähernd runden Querschnitt hat; von daher wird im gewebten Zustand der Querschnitt des CF-Garns an dem Punkt, wo sich Kette und Schuß kreuzen, elliptisch, wodurch das Gewebegarn erheblich gekräuselt wird. Dieser Trend ist insbesondere bei einem CF-Gewebe, welches CF-Garn mit einer großen Garnnummer verwendet, auffallend, da Kette und Schuß mit großer Garnnummer einander überkreuzen.
Von daher neigt in einem CF-Gewebe mit erheblich gekräuseltem CF-Garn die Faserdichte dazu, ungleichförmig zu sein, was verhindert, daß die hohe Festigkeit, welche eine Eigenschaft von Kohlenstoffaser ist, voll zum Tragen kommt. Zusätzlich zeigt ein CF-Gewebe, welches CF-Garn mit großer Garnnummer verwendet, normalerweise ein höheres Gewicht des gewebten Gewebes (g/m²) und erhöhte Dicke. Dies beeinflußt nachteilig die Harzeindringeigenschaften, wenn ein vorimprägniertes Material (nachfolgend einfach als "Prepreg" bezeichnet) hergestellt wird, oder wenn ein faserverstärkter Kunststoff (nachfolgend als "FRP" bezeichnet) gefertigt wird.
Von daher hat CFRP, welches unter Verwendung eines CF- Gewebes, welches aus CF-Garn mit großer Garnnummer gewebt worden ist, unvermeidlich in dem Harz mehr Fehlstellen, so daß keine hohe Festigkeit gezeigt werden kann.
Andererseits sind im Falle eines CF-Gewebes, welches aus CF-Garn mit größerer Garnnummer gewebt worden ist und welches ein kleineres Gewebegewicht hat, die Spalte zwischen dem CF-Garn größer. Von daher ergibt sich bei der Ausbildung von CFRP unter Verwendung eines CF-Gewebes mit einem kleineren Gewebegewicht der Nachteil, daß der Anteil an CF-Garn gering ist und Harzfehlstellen intensiv an den Lücken auftreten, welche zwischen den CF-Garnen gebildet sind, so daß es unmöglich wird, ein Hochleistungs-CFRP zu erhalten.
Die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung (KOKAI) Nr. 58-191244 beschreibt ein dünnes gewebtes Gewebe, welches ein dünnes, breites und flaches CF-Garn verwendet und eine Dicke von 0,9 mm oder weniger und ein Gewebegewicht von 85 g/m² oder weniger hat, wobei das Webverfahren die oben beschriebenen Nachteile beseitigt. Da dieses gewebte Gewebe extrem dünn ist, sind die Kräuselungen im Gewebegarn klein; von daher wird ein hoher Verstärkungseffekt sichergestellt, was es zu einem guten Basisgewebe zur Herstellung eines dünnen CFRPs macht.
Das CF-Gewebe, welches ein derartiges flaches CF-Garn verwendet, wird durch aufeinanderfolgende Fachbildung mittels einer Weblitze einer Kette gewebt, welche von einem Kettbaum geliefert wird, der mit der benötigten Anzahl von CF-Garnen bewickelt ist oder mit einer bandartigen Kette, welche von einer CF-Garn-Spule geliefert wird, welche in einem Spulengatter angeordnet ist und durch intermittierendes Einsetzen von Schuß in die offenen Webfächer unter Verwendung eines Webschützens oder Greifers.
In diesem Fall wird die Kette über einen Kettbaum oder direkt von einer Spule zugeführt, wie oben beschrieben. In jedem Fall ergeben sich zwei Verfahren; eines ist das Quer- Abspulverfahren, bei welchem die Kette unter langsamen Drehen der CF-Garnspule dadurch ausgegeben wird, daß sie in einer Richtung so abgezogen wird, daß sie mit der Drehachse im rechten Winkel kreuzt und das andere ist das Längs- Abspulen, bei welchem die Kette dadurch ausgegeben wird, daß sie in Richtung der Achse der Spule abgezogen wird.
Da die Kette in Richtung der Achse der Spule beim Längs-Abspulen ausgegeben wird, ist dieses Verfahren vorteilhafter als das Quer-Abspulen deswegen, als die Kette sofort mit hoher Geschwindigkeit ohne Zug abgegeben werden kann. Beim Längs-Abspulen wird jedoch die Kette jedesmal einmal verdreht, wenn die Kette von der Spule abgegeben wird. Somit wird die Flachheit der Kette in dem verdrehten Bereich gestört und teilweise gequetscht. Dies stellt ein Problem dahingehend dar, daß ein CF-Gewebe mit gleichförmigen Kettgarndicke nicht erhalten werden kann.
Zur Lösung eines derartigen Problems kann ein Webverfahren in Betracht gezogen werden, bei welchem verhindert wird, daß die Kette verdreht wird, indem das Quer-Abspulen verwendet wird. Bei einer üblichen Weblitze wird jedoch das Litzenauge länger als seine Breite gemacht, um Wechselwirkungen mit der Kette zu minimieren. Dies bewirkt, daß das Litzenauge oder der Krempel, welche die Kettendichte gleichförmig macht, die Flachheit der Kette aufbricht und ein Gewebe mit gleichförmiger Garnbreite über das gesamte Gewebe hinweg kann nicht hergestellt werden.
Andererseits muß der Schuß schnell den oben erwähnten offenen Fächern zugeführt werden; von daher muß die Zufuhrgeschwindigkeit für den Schuß höher als diejenige der Kette sein. Von daher wird, um den Schuß schnell von der Fasergarnspule abzuspulen, das Längs-Abspulen häufig verwendet, bei welchem der Schuß in Richtung der Achse der Fasergarnspule abgespult wird. Dies jedoch schafft ein Problem dahingehend, daß das Garn verdreht wird.
Um ein derartiges Problem zu beseitigen, wird in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 2-74645 ein Verfahren vorgeschlagen, bei welchem eine Spule mit hierauf gewickeltem Schuß aktiv durch einen Motor gedreht wird und der Schuß hat eine Länge, welche zu dessen Einführung notwendig ist und wird unter Verwendung der Schwerkraft gehalten.
Dieses Verfahren, bei welchem die Spule aktiv gedreht wird, führt jedoch zu einem Problem, daß die Abspulgeschwindigkeit abhängig von der Menge von Schuß, der um die Spule gewickelt ist, geändert werden muß. Zusätzlich muß der Motor intermittierend in Übereinstimmung mit dem Einbringen des Schusses gedreht werden und daher wird der Motor häufig angelassen und angehalten, was bewirkt, daß ein flaches CF-Garn lose wird und somit insbesondere aufgrund einer Verzögerung in der Anhaltebewegung verdreht wird.
Um weiterhin ein Kräuseln von Webgarn am Kreuzungspunkt von Kette und Schuß zu minimieren, ist es wünschenswert, daß die Faser, welche das Webgarn bildet, eine Garnnummer so groß als möglich hat, daß das Webgarn dünner ist und daß Kette und Schuß Garnintervalle haben, welche annähernd gleich der Garnbreite bei der Herstellung des Gewebes sind.
Andererseits neigt die Garnbreite dazu, wesentlich anzuwachsen, wenn die Garnnummer des Webgarns anwächst, so daß die Flachheit des Garns zum Zeitpunkt des Webens aufgekräuselt wird, was es unmöglich macht, ein Gewebe mit gleichförmiger Faserdichte herzustellen. Es gibt ein anderes Problem insofern, als, wenn das Webgarn sehr dünn ist und eine extrem geringe Breite hat, dann die Steifigkeit in Richtung der Garnbreite niedrig wird, was bewirkt, daß die Flachheit des Garns zum Zeitpunkt des Webens leicht aufgekräuselt wird.
In diesem Fall ist es wünschenswert, ein Schlichtmittel auf das Webgarn aufzubringen, um die Flachheit des Webgarns beizubehalten. Eine zu starke Aufbringung des Mittels verhindert jedoch ein Eindringen des Harzes bei CFRP zum Zeitpunkt des Gießens und das sich ergebende CFRP kann keine hohe Festigkeit haben. Der wünschenswerte Betrag von Schlichtmittel, welcher aufzubringen ist, beträgt 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent.
Weiterhin wird bei dem dünnen gewebten Gewebe und seinem Webverfahren, wie es in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung Nr. 58-191244 erwähnt ist, welche weiter oben bereits genannt wurde, zur Ausbildung eines mittleren oder dicken CFRP notwendig, eine enorme Anzahl von Stücken von Grundgewebe oder gewebten Gewebe-Prepreg aufzulegen. Somit ist dieses Verfahren nachteilig insofern, als die Kosten für das gebildete CFRP hoch sind und die Ausbildungsarbeit außerordentlich zeitaufwendig ist.
Somit verhindert üblicherweise die Verwendung eines CF- Garns mit höherer Garnnummer den Erhalt eines CFRP, welches ausgezeichnete Festigkeit hat und kein befriedigendes Verfahren oder Vorrichtung ist verfügbar, um ein CF-Gewebe aus einem flachen CF-Garn zu weben.
Es gibt somit einen Bedarf für ein zufriedenstellendes Verfahren oder eine Vorrichtung zu diesem Zweck.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine preiswerte Faser-Harz-Zusammensetzung zu schaffen, welche in der Lage ist, hohe Festigkeit zu zeigen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe durch die Merkmalskombination der Ansprüche 1 und 6 gelöst. Die Unteransprüche enthalten weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung.
Gemäß einer Ausführungsform schafft die vorliegende Erfindung eine Faser-Harz-Zusammensetzung, welche ein aus Kohlenstoffaser gewebtes Gewebe mit einem flachen Kohlenstoffaser-Garn aufweist, welches aus vielen Kohlenstoffasern zumindest in der Kette oder dem Schuß besteht, wobei das flache Kohlenstoffaser-Garn ungezwirnt ist und die Anzahl der Kohlenstoffasern hiervon 6.000 bis 36.000 beträgt, die Garnnummer 3.000 bis 30.000 Denier beträgt, die Garnweite 4 bis 16 mm beträgt, die Garndicke 0,07 bis 0,6 mm beträgt und das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke 20 bis 150 beträgt, und wobei das aus Kohlenstoffaser gewebte Gewebe, welches das flache Kohlenstoffaser-Garn verwendet, ein Verhältnis der Webgarnteilung zwischen Kette und Schuß zur Garnweite im Bereich von 1,0 bis 1,2, eine Gewebedicke im Bereich von 0,1 bis 0,6 mm, ein Gewicht des gewebten Gewebes im Bereich von 90 bis 500 g/m² und eine Faserdichte des gewebten Gewebes im Bereich von 0,8 bis 1,2 g/cm³ hat, wobei die Faser-Harz-Zusammensetzung mit 30 bis 67 Gewichtsprozent Matrixharz getränkt wird.
Bevorzugt weist die Faser-Harz-Zusammensetzung ein CF- Gewebe auf, wobei das flache CF-Garn 6.000 bis 24.000 Kohlenstoffasern, eine Garnnummer von 3.000 bis 20.000 Denier und eine Dicke von 0,07 bis 0,2 mm aufweist, und wobei das aus CF-Gewebe eine Garndicke von 0,07 bis 0,2 mm, ein Verhältnis von Garnweite zur Garndicke von 30 bis 150, eine Dicke des gewebten Gewebes von 0,1 bis 0,4 mm und ein Gewicht des gewebten Gewebes von 100 bis 300 g/m² hat.
Weiterhin bevorzugt erfüllt das Gewicht des gewebten Gewebes und die Garnnummer des CF-Garns in dem CF-Gewebe die in der nachfolgenden Formel angegebene Beziehung, wobei weiterhin der Abdeckungsfaktor im Bereich von 95 bis 100% liegt.
W = k · D1/2
wobei
W: das Gewicht des gewebten Gewebes ist,
k: die Proportionalitätskonstante (1,6 bis 3,5) ist,
D: die Garnnummer von Kette oder Schuß aus CF- Garn ist.
Bevorzugt weist die Faser-Harz-Zusammensetzung ein CF- Gewebe auf, wobei flaches CF-Garn 6.000 bis 24.000 Kohlenstoffasern, eine Garnnummer von 3.000 bis 20.000 Denier und eine Dicke von 0,07 bis 0,2 mm hat, und wobei das CF-Gewebe ein gleichgerichtet gewebtes Gewebe mit einer Garndicke von 0,07 bis 0,2 mm, einem Verhältnis von Garnweite zur Garndicke von 30 bis 150, einer Dicke des gewebten Gewebes von 0,1 bis 0,3 mm und einem Gewicht des gewebten Gewebes von 90 bis 200 g/m² ist.
Weiterhin bevorzugt erfüllen das Gewicht des gewebten Gewebes und die Garnnummer des CF-Garns in dem CF-Gewebe die in der nachfolgenden Formel angegebene Beziehung, wobei der Abdeckungsfaktor im Bereich von 95 bis 100% liegt:
W = k · D1/2
wobei
W: das Gewicht des gewebten Gewebes ist,
k: die Proportionalitätskonstante (0,9 bis 2,0) ist,
D: die Garnnummer von Kette oder Schuß ist, welche aus CF-Garn ist.
In einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist die Faser-Harz-Zusammensetzung ein CF-Gewebe auf mit einem flachen Kohlenstoffaser-Garn, bestehend aus vielen Kohlenstoffasern zumindest in der Kette oder dem Schuß, wobei das flache CF-Garn ungezwirnt ist und aus einer Vielzahl von Schichten aus flachen, einheitlichen CF-Garnen besteht, wobei die Anzahl der Kohlenstoffasern in dem einheitlichen CF-Garn im Bereich von 3.000 bis 12.000 liegt, eine Garnnummer im Bereich von 1.500 bis 10.000 Denier liegt, eine Garnweite im Bereich von 4 bis 16 mm liegt, eine Garndicke im Bereich von 0,07 bis 0,2 mm liegt und ein Verhältnis von Garnweite zu Garndicke im Bereich von 30 bis 150 liegt, und wobei ein Verhältnis der Webgarnteilung zwischen Kette und Schuß zur Garnweite im Bereich von 1,0 bis 1,2 liegt, eine Gewebedicke im Bereich von 0,2 bis 0,6 mm liegt, ein Gewicht des gewebten Gewebes im Bereich von 200 bis 500 g/m² liegt und eine Faserdichte des gewebten Gewebes im Bereich von 0,8 bis 1,2 g/cm³ liegt, wobei die Faser-Harz-Zusammensetzung mit 30 bis 67 Gewichtsprozent Matrixharz getränkt wird.
Bevorzugt erfüllen das Gewicht des gewebten Gewebes und die Garnnummer des CF-Garnes bestehend aus einer Mehrzahl von Schichten von einheitlichen CF-Garnen in dem CF-Gewebe die in der nachfolgenden Formel angegebene Beziehung, wobei der Abdeckungsfaktor im Bereich von 95 bis 100% liegt:
W = k · D1/2
wobei
W: das Gewicht des gewebten Gewebes ist,
k: die Proportionalitätskonstante (2,0 bis 4,2) ist,
D: die Garnnummer des CF-Garns ist, welches aus einer Mehrzahl von Schichten einheitlicher CF-Garne besteht.
Bevorzugt wird jedes der voranstehend genannten CF-Gewebe mit einem Matrixharz im Bereich von 30 bis 67 Gewichtsprozent getränkt, um es in ein Prepreg umzuwandeln.
Weiterhin bevorzugt wird jedes der voranstehend erwähnten CF-Gewebe mit einem Matrixharz im Bereich von 30 bis 67 Gewichtsprozent getränkt, um es in einen faserverstärkten Kunststoff umzuwandeln.
Weiterhin bevorzugt ist das Matrixharz ein wärmeaushärtendes Harz, dessen Zugbruchdehnung 3,5 bis 10% beträgt oder ein thermoplastisches Harz, dessen Zugbruchdehnung 8 bis 200% beträgt.
Das CF-Gewebe besteht aus sich überkreuzender Kette und Schuß jeweils aus flachem CF-Garn und die gewebte Gewebestruktur ist nicht besonders eingeschränkt. Jedoch auch in dem Fall einer Struktur, welche in einem Gewebe mit einfacher Grundbindung zu sehen ist, wobei einzelne Webgarne sich abwechselnd überkreuzen und leicht starke Kräuselungen erzeugen, sind die Webgarne selbst flach und dünn; von daher sind in dem tatsächlichen Gewebe die Kräuselungen in den Webgarnen auf ein Minimum zurückgefallen und die Festigkeit wird nicht nachteilig beeinflußt.
Was das flache CF-Garn betrifft, kann ein Faserbündel mit einer Mehrzahl von Fasern in eine bandartige Form gekämmt werden, bevor ein Schlichtprozeß in einem Faserherstellungsprozeß erreicht wird und ein Schlichtmittel wird aufgebracht, um die Form beizubehalten, wonach dann das bandartige Faserbündel um eine Spule gewickelt werden kann.
Alternativ hierzu kann das CF-Garn geöffnet werden und in eine bandartige Form gebracht werden, was in einem unterschiedlichen Prozeß erfolgt, bevor es mit einem Schlichtmittel zusammengeklebt wird.
Das CF-Garn zeigt insbesondere hohe Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodus, kann jedoch die hohe Festigkeit, welche ein Merkmal von CF ist, nicht voll ausspielen, wenn das Webgarn wie oben beschrieben gekräuselt ist. Um somit ein CF-Gewebe mit einem geringen Kräuselungsverhältnis und einer gleichförmigen Faserdichte zu erhalten, ist es notwendig, ein dünnes, flaches CF-Garn frei von Verzwirnungen zu verwenden und das Garn in ein Gewebe zu weben mit einer Teilung, welche nahe gleich der Weite des Garns ist.
Somit ist das flache CF-Garn bevorzugt frei von Verzwirnungen und die Anzahl von CF hiervon beträgt 6.000 bis 24.000 und die Garnnummer beträgt 3.000 bis 20.000 Denier. Um eine geeignete Gewebedicke zu erhalten, sollte die Garnweite zwischen 4 und 16 mm liegen, die Garndicke zwischen 0,07 und 0,2 mm liegen und das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke zwischen 30 und 150 liegen.
Das flache CF-Garn kann auch aus einer Mehrzahl von Lagen eines flachen einheitlichen CF-Garnes bestehen, welche frei von Verzwirnungen sind, wobei die Anzahl von Kohlenstoffasern hiervon zwischen 3.000 und 12.000 liegt, die Garnnummer zwischen 1.500 bis 10.000 Denier liegt, die Garnweite zwischen 4 und 16 mm liegt, die Garndicke zwischen 0,07 und 0,2 mm liegt und das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke zwischen 30 und 150 liegt.
Um die Flachheit des CF-Garnes beizubehalten, ist es wünschenswert, eine geringe Menge eines Schlichtmittels von ungefähr 0,5 bis 2,0 Gewichtsprozent auf das CF-Garn aufzubringen.
Es ist ein Muß, daß das CF-Garn ungezwirnt ist. Wenn das CF-Garn irgendwelche Zwirnungen haben sollte, wird das Garn gequetscht und die Garnweite nimmt an dem gezwirnten Bereich ab, was zu einer erhöhten Dicke führt, was Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche des gewebten Gewebes bewirkt. Im Ergebnis wird, wenn eine von außen kommende Kraft auf das gewebte Gewebe angelegt wird, die Belastung sich an dem verzwirnten Abschnitt konzentrieren, was zu einer ungleichförmigen Festigkeit führt, wenn das Gewebe in ein FRP oder dergleichen umgeformt wird.
In der Vergangenheit wurde, selbst wenn ein flaches Hochleistungs-CF-Garn mit hoher Zugfestigkeit und hohem Elastizitätsmodul verwendet wurde, die Flachheit des CF- Garns teilweise oder vollständig während des Gewebe-Webprozesses zerstört, was zu einem elliptischen Querschnitt des CF-Garnes führte. Infolgedessen wird das Webgarn, welches das CF-Gewebe bildet, ebenso elliptisch mit großen Kräuselungen und wenn ein CFRP durch Tränken des CF-Gewebes mit einem Matrixharz hergestellt wird, findet eine Belastungskonzentration an Biegeabschnitten des Webgarns statt, was verhindert, daß die Zugfestigkeit oder der Elastizitätsmodul des verwendeten CF-Garns voll ausgespielt werden kann. Genauer gesagt, das gekräuselte Webgarn führt zu einer verschlechterten Zugfestigkeit oder einem verschlechterten Elastizitätsmodul.
Das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung, welches unter Verwendung eines Webverfahrens und einer Webvorrichtung gewebt wird, hat geringe Kräuselungen des Webgarns und eine kleine Lückenfläche in der gesamten Gewebefläche. Wenn daher das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung mit Harz getränkt wird, um es in ein zusammengesetztes Material umzuwandeln, nimmt das Harz, welches ungleichförmig in den Lücken des Gewebes aufgenommen wird, ab. Wenn somit das zusammengesetzte Material einer Belastung unterworfen wird, entwickelt das Harz in den Lücken keine Risse, was erlaubt, daß die gewebte Gewebestruktur hohe Festigkeit zeigt.
In diesem Fall ist das verwendete flache CF-Garn eines, welches eine Zugbruchdehnung zwischen 1,5 und 2, 3%, eine Zugbruchfestigkeit von 200 bis 800 kgf/mm² und einen Elastizitätsmodul von 20.000 bis 70.000 kgf/mm² gemäß ASTM D3039 (Tensile Properties of Fiber-Resin Composites) hat.
Das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt insbesondere geringe Kräuselungen. In einem CFRP, welches ein übliches CF-Gewebe verwendet, bricht für gewöhnlich das Matrixharz vor dem Bruch des CF-Garns in einen Bereich, wo sich kleine Zugstörungen aufbauen, welche durch Kräuselungen im Webgarn bewirkt werden. Bei einem CFRP, welches das CF-Gewebe mit kleinen Kräuselungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, findet ein Bruch des Matrixharzes, bewirkt durch Kräuselungen im Webgarn gemäß obiger Beschreibung nicht statt.
Somit leidet das CFRP, welches ein CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, nicht an verschlechterter Festigkeit aufgrund eines Bruchs des Matrixharzes und zeigt somit hohe Zugbruchfestigkeit und Elastizitätsmodul, selbst dann, wenn ein CF-Garn mit einer hohen Zugbruchdehnung oder Zugbruchfestigkeit verwendet wird.
Das CF-Gewebe, welches unter Verwendung von Kette und Schuß bestehend aus dem flachen CF-Garn gewebt wird, hat eine Gewebestruktur, welche Freiräume zwischen dem Garn aufrecht erhält, welche annähernd gleich der Garnweite sind. Dies bedeutet, daß es praktisch keine Spalte an den Überkreuzungspunkten zwischen Kette und Schuß gibt, was zu einem Gewebe führt, welches eine hohe Faserdichte zeigt.
In dem gewebten CF-Gewebe überkreuzen sich jedoch Kette und Schuß tatsächlich und es ist schwierig, den Raum zwischen den Webgarnen gleich der Garnweite zu machen. Um diesem Problem zu begegnen, wird in dem gewebten CF-Gewebe der Raum zwischen entweder Kette oder Schuß gleich der Garnweite gemacht, während der Raum entweder zwischen Schuß und Kette etwas größer als die Garnweite sein kann. Wenn jedoch der Raum zwischen den Webgarnen das 1,2-fache der Garnweite übersteigt, werden die Spalte größer und kein Gewebe mit hoher Faserdichte kann erzeugt werden.
Aus diesem Grund ist es wünschenswert, daß die Webgarnteilung von Kette und Schuß das 1,0- bis 1,2-fache der Garnweite beträgt, das heißt, daß das Verhältnis von Webgarnteilung zu Garnweite zwischen 1,0 und 1,2 liegt.
Die Faserdichte des gewebten Gewebes ergibt sich aus einem Wert, der durch die nachfolgende Formel definiert ist:
Faserdichte des gewebten Gewebes (g/cm³) = [Gewicht des gewebten Gewebes (g/m²)]/[Dicke des gewebten Gewebes (mm)].
Die Werte von Gewicht des gewebten Gewebes (g/m²) und Dicke des Gewebes (mm) werden gemäß ASTM D3776 (Standard Test Methods Mass Per Unit Area of Woven Fabric) und D1777 (Standard Method For Measuring Thickness of Textile Materials) gemessen.
Wenn das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung gewebt wird, wobei Kette und Schuß verwendet werden, welche aus flachen nicht laminiertem CF-Garn bestehen mit einer Garnweite von 4 bis 16 mm und einer Garndicke von 0,07 bis 0,2 mm, hat das sich ergebende CF-Gewebe ein Verhältnis von Garnweite zu Garndicke von 30 bis 150, ein Verhältnis der Webgarnteilung zur Garnweite von 1,0 bis 1,2, eine Gewebedicke von 0,1 bis 0,4 mm, ein Gewicht des gewebten Gewebes von 100 bis 300 g/m² und eine Faserdichte von 0,8 bis 1,2 g/ cm³.
Wenn weiterhin das gleichgerichtete CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung gewebt wird unter Verwendung von Kette oder Schuß, welche aus einem flachen CF-Garn bestehen, gemessen mit einer Garnweite von 4 bis 16 mm und einer Garndicke von 0,07 bis 0,2 mm und einem Hilfsgarn, hat das sich ergebende CF-Gewebe ein Verhältnis von Garnweite zu Garndicke von 30 bis 150, ein Verhältnis von Webgarnteilung zu Garnweite von 1,0 bis 1,2, eine Gewebedicke von 0,1 bis 0,3 mm, ein Gewicht des gewebten Gewebes von 90 bis 200 g/m² und eine Faserdichte von 0,8 bis 1,2 g/cm³.
Wenn weiterhin das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung gewebt wird unter Verwendung von Kette und Schuß, bestehend aus einer Mehrzahl von Lagen flacher einheitlicher CF-Garne, gemessen mit einer Garnweite von 4 bis 16 mm und einer Garndicke von 0,07 bis 0,2 mm, hat das sich ergebende CF-Gewebe ein Verhältnis von Garnweite zu Garndicke von 20 bis 100, ein Verhältnis von Webgarnteilung zur Garnweite von 1,0 bis 1,2, eine Gewebedicke von 0,2 bis 0,6 mm, ein Gewicht des gewebten Gewebes von 200 bis 500 g/m² und eine Faserdichte von 0,8 bis 1,2 g/cm³.
Wenn in diesem Fall ein CF-Gewebe gewebt wird, unter Verwendung eines CF-Garns oder eines einheitlichen CF- Garns, beträgt die Anzahl von Fasern hiervon 6.000 bis 36.000 und die Garnnummer beträgt 3.000 bis 30.000 Denier und wenn das Gewicht des gewebten Gewebes kleiner als 90 g/m² ist, bedeutet dies, daß das CF-Gewebe unter Verwendung eines extrem flachen CF-Garnes gewebt wurde, was das Weben schwierig macht. Selbst wenn das Gewebe gewebt wird, wird die Flachheit des CF-Garns aufgekräuselt und ein Gewebe mit einer extrem rauhen Textur ergibt sich. Wenn andererseits das Gewicht des gewebten Gewebes größer als 500 g/m² ist, wird das Tränken mit einem Matrixharz zum Bilden eines Prepregs oder CFRP nachteilig beeinflußt und in dem Harz ergeben sich viele Fehlstellen.
Das gleiche trifft zu, wenn das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines flachen CF- Garns und eines Hilfsgarns gewebt wird.
Auf ähnliche Weise werden, wenn die Dicke des CF- Gewebes kleiner als 0,1 mm ist, mehr Schichten notwendig, mit sich hieraus ergebender komplizierter Laminierarbeit zur Herstellung eines CFRPs und es ergeben sich auch mehr Räume zwischen den Schichten, was zum Nachteil des CFRP beiträgt. Wenn andererseits die Dicke es CF-Gewebes größer als 0,6 mm ist, wird das Tränken mit Matrixharz nachteilig beim Vorgang des Ausbildens eines Prepregs oder CFRP beeinflußt und in dem Harz ergeben sich viele Fehlstellen wie in dem Fall, wo das Gewicht des gewebten Gewebes zu groß ist. Die gleichen Probleme wie diejenigen betreffend die Dicke des CF-Gewebes gemäß obiger Beschreibung treten auf, wenn ein flaches CF-Garn und ein Hilfsgarn verwendet werden, um das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung zu weben.
Das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die oben beschriebenen Bedingungen erfüllt sind und die Faserdichte, welche durch die oben erwähnte Formel definiert ist, zwischen 0,8 und 1,2 g/cm³ liegt.
Allgemein gesagt, die Festigkeit eines CFRP hängt vom Volumenanteil von CF ab und daher ist ein Grundgewebe mit hoher Faserdichte notwendig, um hohe Festigkeit zu erhalten.
Der Volumenanteil der Faser in FRP bezieht sich auf das Verhältnis von Volumen eines Basisgewebes zum Volumen des FRP.
In diesem Fall kann ein CF-Gewebe mit einer hohen Faserdichte erhalten werden, indem die Webdichte des verwendeten CF-Garns erhöht wird.
In der Vergangenheit bewirkte jedoch ein Abheben der Webdichte stärkere Kräuselungen im CF-Garn eines CF-Gewebes und kein CFRP mit hoher Festigkeit konnte hergestellt werden.
Aus diesem Grund war es bei üblichen CF-Geweben notwendig, die Faserdichte des Gewebes auf einen Wert unter 0,8 g/cm³ zu setzen. Insbesondere wenn ein CF-Garn größerer Garnnummer verwendet wird, muß die Faserdichte des Gewebes auf einen noch kleineren Wert festgesetzt werden.
Das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet ein flaches CF-Garn mit hoher Garnnummer, einer Garnweite von 4 bis 16 mm und einem Verhältnis von Garnweite zu Garndicke zwischen 20 und 150 und es wird mit einem Garnintervall gewebt, welches nahe gleich der Garnweite ist, nämlich das 1,0- bis 1,2-fache beträgt (Verhältnis Webgarnteilung/Garnweite = 1,0 bis 1,2)
Das so erhaltene CF-Gewebe hat ein Minimum an Fehlstellen oder Kräuselungen im Webgarn und eine hohe Faserdichte im Gewebe und ist in der Lage, hohe Festigkeit zu zeigen, auch dann, wenn die Faserdichte 0,8 g/cm³ übersteigt.
Weiterhin sollte das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen Bedingungen erfüllen und das Gewicht des gewebten Gewebes und die Garnnummer des CF- Gewebes erfüllen die Beziehung von W = k · D1/2, wobei der Abdeckungsfaktor zwischen 95 und 100% liegt.
Wenn der Abdeckungsfaktor kleiner als 95% beträgt, entstehen wahrscheinlich mehr Fehlstellen zwischen den CF- Garnen, was ein Matrixharz bewirkt, welches ungleichförmig in den Fehlstellen vorhanden ist, wenn ein Prepreg oder CFRP erzeugt wird, was die Festigkeit nachteilig beeinflußt.
In diesem Fall bezeichnet "W" das Gewicht des gewebten Gewebes (g/m²), "k" ist eine Proportionalkonstante (1,6 bis 3,5), und "D" ist die Garnnummer (Denier) eines CF-Garns, welches aus vielen Kohlenstoffasern besteht.
Zusätzlich ist es im Falle eines gleichgerichteten Gewebes, welches Kette oder Schuß aus CF-Garn und ein Hilfsgarn verwendet, wünschenswert, daß die Proportionalitätskonstante "k" 0,9 bis 2,0 beträgt oder 2,0 bis 4,2 bei einem Gewebe beträgt, welches ein CF-Garn verwendet, welches aus einer Mehrzahl von Schichten von gleichgerichtetem CF-Garn gefertigt ist.
Um ein CF-Gewebe mit einem relativ geringen Gewicht des gewebten Gewebes zu weben und mit einem CF-Garn mit hoher Garnnummer mit einem Abdeckungsfaktor von 95 bis 100%, bedeutet, unter Verwendung eines CF-Garns mit einer extrem hohen Garnweite zu weben. Das sich ergebende CF-Gewebe wird jedoch kein Hochqualitäts-Gewebe mit gleichförmig verteiltem CF-Garn sein, insbesondere weil die Weite des CF-Garns beim Weben in Breitenrichtung gequetscht wird.
Wenn andererseits ein CF-Gewebe mit relativ hohem Gewicht des gewebten Gewebes mit einem CF-Garn mit geringer Garnnummer gewebt wird, ergibt sich im Ergebnis ein Gewebe mit starken Kräuselungen im Webgarn.
Der Abdeckungsfaktor Cf bezeichnet hierbei einen Faktor, der sich auf die Spaltgröße zwischen den Webgarnen bezieht und sein Wert wird durch die nachfolgende Formel definiert, wenn eine Fläche von S&sub1; auf dem Gewebe festge legt wird und eine Spaltfläche, welche zwischen den Webgarnen der Fläche S&sub1; gebildet wird, als S&sub2; festgelegt wird:
Cf = {(S&sub1; - S&sub2;)/S&sub1;} · 100 (%)
Im CF-Gewebe wird, je größer der Wert des Abdeckungsfaktors Cf wird, umso kleiner dann die Spaltfläche. Dies verhindert zum Zeitpunkt des Tränkens mit einem Matrixharz, daß das Matrixharz ungleichförmig in die Spalte eingefüllt wird. Wie sich aus der obigen Formel offensichtlich ergibt, übersteigt der Wert des Abdeckungsfaktors Cf niemals 100%.
Wenn das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung mit Kette oder Schuß aus flachem CF-Garn und einem Hilfsgarn gewebt wird, ist das Hilfsgarn bevorzugt ein flaches Webgarn, welches aus einer dünnen Faser mit einer Garnnummer von 2.000 Denier oder weniger und bevorzugt von zwischen 50 bis 600 Denier hat.
Ein Hilfsgarn mit einer größeren Garnnummer neigt dazu, stärkere Kräuselungen zu verursachen, wohingegen eines mit kleinerer Garnnummer ein leichteres Schneiden beim Weben oder Handhaben erlaubt.
Das Hilfsgarn wird dazu verwendet, parallele flache Webgarne zusammen zu halten. Es gibt keine besonderen Einschränkungen hinsichtlich des Garntyps, welches als Hilfsgarn verwendet wird. Es kann eine anorganische Faser, beispielsweise CF oder eine Glasfaser oder eine organische Faser, beispielsweise eine Aramidfaser, eine Vinylonfaser oder eine Polyesterfaser sein.
Das Prepreg, welches das oben erwähnte CF-Gewebe verwendet, kann dadurch hergestellt werden, daß das Gewebe mit einem Matrixharz in einem bekannten Verfahren getränkt wird.
Matrixharze, welche für diesen Zweck verwendet werden, umfassen thermisch aushärtende Harze, wie Epoxyharz, ungesättigtes Polyesterharz und Phenolharz. Derartige Matrixharze befinden sich in der B-Stufe, wenn sie in das CF- Gewebe eingetränkt werden.
Alternativ hierzu kann das verwendete Matrixharz ein thermoplastisches Harz sein, beispielsweise ein Polyamidharz, ein Polyesterharz, ein Polybutylen-Terephthalatharz, ein Polyimidharz, ein Polyester-Esterketonharz und ein Bis- Maleimidharz.
Die Menge von Matrixharz, welches in dem CF-Gewebe enthalten ist, beträgt bevorzugt 30 bis 67 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt 34 bis 45 Gewichtsprozent.
Das CFRP, welches den oben erwähnten Prepreg verwendet, kann dadurch gegossen werden, daß eine festgelegte Anzahl von Stücken des Prepregs in Schichten in einer festgelegten Ausrichtung gemäß einem bekannten Verfahren aufgelegt wird. Genauer gesagt, wenn ein thermisch aushärtendes Harz als Matrixharz verwendet wird, wird das Harz unter einem Druck von 4 bis 10 kg/cm² ausgehärtet, wobei das laminierte Prepreg auf eine Temperatur von 100 bis 200ºC erhitzt wird. Wenn ein thermoplastisches Harz als Matrixharz verwendet wird, wird das Harz durch Erhitzen über seinen Schmelzpunkt hinaus aufgeschmolzen, während ein Druck von 7 bis 30 kg/cm² auf das laminierte Prepreg aufgebracht wird, wonach dann eine Abkühlung erfolgt.
Ein CF-Gewebe, welches Kette und Schuß bestehend aus einem flachen CF-Garn verwendet, das aus vielen Kohlenstoffasern gefertigt ist, hat eine kleine Kräuselung. Somit entwickelt ein CFRP, welches dieses Gewebe verwendet, kein Aufbrechen des Matrixharzes vor dem Bruch des CF-Garns in einem Bereich kleiner Zugfestigkeit, verursacht durch Kräuselung im Webgarn; von daher wächst die Bruchdehnung in der Richtung, in der die Zugbelastung einwirkt, an, was eine erhöhte Festigkeit bedeutet.
Somit ist das CFRP beispielsweise in Richtung der Kette fester, wenn es in Richtung der Kette gezogen wird, die für das Gewebe verwendet wurde. Das CFRP entwickelt jedoch Mikrorisse entlang des CF, wenn es in einer Richtung gezogen wird, welche die Zugbelastung im rechten Winkel kreuzt, das heißt in Richtung des Schusses, da der Schuß in einer Richtung im rechten Winkel bezüglich der Ausrichtung der Fasern gezogen wird, und auch deshalb, weil der Schuß breiter als ein gewöhnliches Webgarn ist.
Die Erfinder untersuchten das Auftreten der Mikrorisse anhand des Aspektes des Matrixharzes und haben herausgefunden, daß eine Erhöhung der Zugbruchdehnung das Auftreten von Mikrorissen wirksam unter Kontrolle hält.
Demzufolge beträgt eine wünschenswerte Zugbruchdehnung des Matrixharzes 3,5 bis 10% für ein thermisch aushärtendes Harz oder 8 bis 200% für ein thermoplastisches Harz, wenn es gemäß ASTM D638 (Standard Test Method for Tensile Properties of Plastics) gemessen wird.
Das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung, welches mit Kette und Schuß bestehend aus flachen ungezwirnten CF- Garn gewebt wird, hat eine Garnweite von 4 bis 16 mm und ein Verhältnis von Garnweite zu Garndicke von 20 bis 150, wobei das Verhältnis von Webgarnteilung zu Webgarnweite zwischen 1,0 und 1,2 liegt, eine Gewebedicke zwischen 0,1 und 0,6 mm liegt, ein Gewicht des gewebten Gewebes zwischen 90 bis 500 g/m² liegt und eine Faserdichte zwischen 0,8 bis 1,2 g/cm³ liegt, was ein Weben erlaubt, wobei die Flachheit sowohl von Kette als auch Schuß unangetastet bleiben, so daß die Kräuselungen an den Punkten, wo Kette und Schuß einander kreuzen, auf ein Minimum regulierbar ist, was zu einer gleichförmigen Faserdichte des Gewebes führt.
Weiterhin wird das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Kette und Schuß gewebt, welche aus flachem CF-Garn mit einer extrem groben Garndichte gewebt wird, wobei geringe Kräuselungen in dem Webgarn vorhanden sind, so daß das Gewebe leicht einer Scherverformung unterworfen werden kann. Mit anderen Worten, wenn das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung einer Scherverformung unterworfen wird, erlaubt es erhebliche Verformungen, ohne Knitterfalten zu erzeugen, da das Gewebe ausreichend Möglichkeit hat, die Freiräume zwischen Kette oder Schuß zu verringern, so daß die Räume zwischen den Garnen verringert werden können, ohne daß die Garnweite des flachen CF-Garns verringert wird. Dies macht es möglich, das CF-Gewebe bei einem Gußwerkzeug einzusetzen, welches komplizierte Form hat.
Weiterhin zeigt das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung eine gleichförmige Faserdichte und geringe Spalten zwischen Kette und Schuß, so daß es in ein Gußwerkzeug eingesetzt werden kann, indem nur derjenige Abschnitt, der die gekrümmte Oberfläche des Gußwerkzeuges berührt, einer Scherverformung unterworfen wird. Somit erlaubt das CF- Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung eine Oberfläche auch mit einer großen Krümmung im Gußwerkzeug mit gleichförmig hoher Faserabdeckung.
Das Prepreg oder CFRP, welches das oben genannte CF-Gewebe als Verstärkungsbasisgewebe verwendet, zeigt hohe Festigkeit, da es praktisch keine Fehlstellen in dem Harz aufgrund der guten Harztränkungseigenschaften hat.
Bei einem Webverfahren und einer Webvorrichtung für CF- Gewebe kann ein Verdrehen des Schusses zum Zeitpunkt des Webens dadurch verhindert werden, daß der Schuß in Querrichtung abgespult wird, während einer Schußspule eine bestimmte Drehung durch eine Abziehrolle verliehen wird, welche mit einer Hauptdrehwelle der Vorrichtung verbunden ist, was bewirkt, daß die Schlaffheit in dem Schuß, die durch ein Einbringen des Schusses in die Kette erzeugt wird, absorbiert wird, wobei der Schuß durch Führungsrollen positioniert wird, und wobei eine Zugspannung auf den Schuß durch einen Zugspannungsaufbringmechanismus aufgebracht wird.
Weiterhin wird bei einem Webverfahren und einer Webvorrichtung für ein CF-Gewebe ein CF-Gewebe webbar, wobei die Flachheit der Ketten unangetastet bleibt, indem die Ketten von einer Mehrzahl von Kettenspulen quer abgespult werden, dann die Ketten durch Bringen der flachen Oberflächen der Ketten in Kontakt alleine mit den Drähten des Kammes kombiniert werden, um sie zu der gewünschten Dichte zusammen zu bringen und indem die Ausrichtung der flachen Oberflächen der Ketten in eine horizontale Richtung geändert wird, bevor sie zu einer Weblitze geführt werden.
Gemäß einem Webverfahren und einer Webvorrichtung für ein CF-Gewebe kann ein CF-Gewebe gewebt werden, ohne daß verursacht wird, daß flache CF-Garne verdreht werden oder die Flachheit aufgekräuselt wird, so daß extrem dünne Gewebe mit beständiger Qualität erzeugt werden können. Somit verhindert die Anwendung dieses Gewebes zur Herstellung von Prepregs oder von CFRPs Probleme wie beispielsweise Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche aufgrund von ungleichmäßigen Dicken an garnverzwirnten Abschnitten, überschüssigem Harz in Spalten in garnverzwirnten Abschnitten, dem Aufdrücken von Fehlstellen und verschlechterter Festigkeit aufgrund einer Konzentration von Belastungen an verzwirnten Abschnitten.
Weiterhin verwendet das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung ein flaches CF-Garn mit großer Garnnummer und besteht aus flachen Webgarnen, wobei das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke zwischen 20 und 150 liegt und wobei die Webgarne parallel in Abständen annähernd gleich der Garnweite angeordnet sind. Das Gewicht des gewebten Gewebes liegt zwischen 90 bis 500 g/m², die Dicke des Gewebes liegt zwischen 0,1 und 0,6 mm und die Faserdichte des Gewebes liegt zwischen 0,8 und 1,2 g/cm³, wobei praktisch keine Spalten zwischen den Webgarnen vorliegen. Das Ergebnis ist ein hochdichtes gewebtes Gewebe mit extrem gleichförmiger Faserverteilung.
Bisher war insbesondere ein dünnes CF-Gewebe ein äußerst teures Gewebe, da es mit teuren CF-Garnen mit kleiner Garnnummer und hoher Dichte gewebt wurde. Gemäß dem Webverfahren kann ein preiswertes CF-Garn mit hoher Garnnummer verwendet werden und das Gewebe wird mit geringer Dichte gewebt, so daß sich eine höhere Produktivität und geringe Webkosten ergeben.
Da weiterhin das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung grob mit einem flachen CF-Garn gewebt wird, erlaubt dies einfachere Scherverformung, was es möglich macht, daß es sich gleichförmig in einem Gußwerkzeug anpaßt, welches komplizierte Formgebung hat. Da zusätzlich das CF-Gewebe mit einem flachen CF-Garn mit niedriger Dichte gewebt wird, sind Kräuselungen im Webgarn gering und weiterhin hat das flache CF-Garn eine hohe Garnnummer und die Faserdichte des Gewebes ist hoch, nämlich zwischen 0,8 bis 1,2 g/cm³. Aus diesem Grund sind die Spalte zwischen Kette und Schuß des CF-Gewebes klein; von daher wird der Volumenanteil von Kohlenstoffasern im sich ergebenden CFRP hoch, was ausgezeichnete Eigenschaften zeigt, beispielsweise extrem hohe Festigkeit.
Zusätzlich hat das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung eine glatte Oberfläche; wenn es daher zur Herstellung eines CFRP verwendet wird, wird die Oberfläche des CFRP glatt, was ein leichtes Bemalen erlaubt.
Die obigen und weiteren Einzelheiten, Charakteristiken und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich besser aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung in Zusammenschau mit der beigefügten Zeichnung.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Webvorrichtung zum Weben eines CF-Gewebes unter Anwendung des Webverfahrens für ein CF-Gewebe;
Fig. 2 ist eine vergrößerte Ansicht des Hauptabschnittes einer Antriebsvorrichtung eines Greifers in der Webvorrichtung von Fig. 1;
Fig. 3 ist eine vergrößerte Ansicht des Hauptabschnittes, welche mehr Details in einer Schnittdarstellung aus Fig. 2 zeigt;
Fig. 4 ist eine vergrößerte Darstellung der Spitze des Greifers;
Fig. 5 ist eine perspektivische Ansicht, welche eine vergrößerte Ansicht einer Garnende-Halteführung zeigt;
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht, welche einen anderen Modus zeigt, in welchem ein Schuß durch den Greifer gehalten ist;
Fig. 7 ist eine Querschnittsdarstellung des CF-Gewebes gemäß der vorliegenden Erfindung, welches unter Verwendung von Kette und Schuß bestehend aus einem einzelnen flachen CF-Garn gewebt wird;
Fig. 8 ist eine Querschnittsdarstellung des CF-Gewebes gemäß der vorliegenden Erfindung, welches unter Verwendung und Kette und Schuß bestehend aus zwei flachen einheitlichen CF-Garnen in Schichtausbildung gewebt wurde; und
Fig. 9 ist ein Diagramm der Zugfestigkeitscharakteristik gegenüber der Belastungskurve eines CFRP, welches aus einem CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung gefertigt worden ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Nachfolgend erfogt eine detaillierte Beschreibung einer Ausführungsform betreffend ein CF-Gewebe, sein Webverfahren und seine Webvorrichtung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 9.
Fig. 1 zeigt eine Webvorrichtung, welche ein CF-Gewebe unter Anwendung des Webverfahrens für ein CF-Gewebe webt. Die Webvorrichtung ist mit einer Spule 1, einer Abziehrolle 3, einer Spannvorrichtung 4, Führungsrollen 5 bis 7, einer Blattfeder-Spannvorrichtung 8, einer Druckplattenführung 9 und einem Greifer 11 versehen, welche hauptsächlich als Schußzufuhreinheit dienen, sowie weiterhin mit einem Aufsteckgatter 20, einem Kamm 21, einer Horizontalführung 22, einer Weblitze 23 und einem Webblatt 24 als Kettzufuhreinheit.
Nachfolgend wird die Schußzufuhreinheit erläutert. Die Spule 1 ist mit einem Schuß Twf bewickelt, welcher ein flaches CF-Garn bestehend aus vielen Kohlenstoffasern ist und der Schuß Twf wird über eine Spannrolle 2 der Abziehrolle 3 zugeführt und dann durch eine Umdrehung der Abziehrolle 3 mit konstanter Geschwindigkeit abgespult.
Wenn in diesem Fall der Schuß Twf von der Spule 1 abgespult wird, ist die Spannrolle 2 in ihrer oberen Position, wobei sich die Rolle automatisch nach unten bewegt, wenn die Umdrehung der Abziehspule anhält und eine Bremse betä tigt wird, um die auf Massenträgheit beruhende Drehung der Spule 1 zu unterbrechen. Die Abziehrolle 3 dreht sich, wobei sie mit einer Hauptdrehwelle 26 der Webvorrichtung, wie nachfolgend noch beschrieben, verbunden ist, und die Hauptdrehwelle 26 wird durch einen Antriebsmotor 25 (vergleiche Fig. 3) in Drehung versetzt, wie nachfolgend beschrieben wird.
Die Geschwindigkeit, mit der der Schuß Twf abgespult wird, das heißt die Oberflächengeschwindigkeit, welche durch die Drehung der Abziehrolle 3 erhalten wird, kann leicht bestimmt werden, indem die Anzahl von Umdrehungen (UpM) der Hauptdrehwelle 26 und die Länge (m) des für eine Umdrehung notwendigen Schusses herausgefunden werden.
Das CF-Garn für den Schuß Twf und die Kette Twr ist verzwirnungsfrei und weist 6.000 bis 36.000 Kohlenstoffasern auf. Das CF-Garn wird in einer flachen Form unter Verwendung eines Schlichtmittels oder dergleichen vorab gehalten und um die Spule 1 gewickelt, welche eine zylindrische Röhre mit einer bestimmten Querwanderbreite ist, oder auf Spulen 20a und 20b des Aufsteckgatters 20, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
Das zu verwendende CF-Garn hat eine Garnnummer von 3.000 bis 30.000 Denier, eine Garnweite von 4 bis 16 mm, eine Garndicke von 0,07 bis 0,6 mm, und ein Verhältnis von Garnweite zu Garndicke von 20 bis 150. Wenn ein flaches einheitliches CF-Garn verwendet wird, welches in eine Mehrzahl von Schichten gebildet worden ist, muß das einheitliche CF-Garn frei von Verzwirnungen sein und 3.000 bis 12.000 Kohlenstoffasern, eine Garnnummer von 1.500 bis 10.000 Denier, eine Garnweite von 4 bis 16 mm, eine Garndicke von 0,07 bis 0,2 mm und ein Verhältnis von Garnweite zu Garndicke von 30 bis 150 haben.
Der Schuß Twf, der von der Abziehrolle 3 abgespult wird, wird zu der Blattfeder-Spannvorrichtung 8 geführt, und dann durch eine horizontale Führungsrolle 5, eine vertikale Führungsrolle 6, und eine horizontale Führungsrolle 7 über eine Führung 4a der Spannvorrichtung 4 geleitet.
Jede der Führungsrollen 5 bis 7 hat bevorzugt einen Durchmesser annähernd zwischen 10 und 20 mm und eine Länge von 100 bis 300 mm und ist bevorzugt von einem Drehtyp, der ein Lager beinhaltet. Wenn der Durchmesser zu klein ist, verdickt sich das den Schuß Twf bildende CF, was oftmals bewirkt, daß ein einzelnes Garn bricht. Wenn andererseits der Durchmesser 20 mm überschreitet, tritt ein Problem auf insofern, als die Massenträgheit in der Drehung anwächst, was anwachsende Spannungsänderungen zum Zeitpunkt von Start und Stopp bewirkt.
Die Führungsrollen 5 bis 7 müssen eine ausreichende Länge haben, so daß der durchlaufende Schuß Twf nicht in Kontakt mit dem Lagerabschnitt gerät, der die Führungsrollen 5 bis 7 lagert, wenn sich der Schuß Twf horizontal oder vertikal bewegt. Falls der Schuß Twf den Lagerabschnitt der Führungsrollen 5 bis 7 berühren sollte, wird die Flachheit aufgebrochen.
Die horizontalen Führungsrollen 5 und 7 bestimmen die Höhe, in der der Schuß Twf zu führen ist, während die vertikale Führungsrolle 6 die horizontale Ausrichtung des Schusses Twf bestimmt. Demzufolge müssen zumindest die horizontalen und vertikalen Führungsrollen 5 bis 7 abwechselnd eingebaut werden.
In diesem Fall ist es notwendig, die flachen Oberflächen des Schusses Twf um 90º zwischen der horizontalen Führungsrolle S und der vertikalen Führungsrolle 6 und zwischen der vertikalen Führungsrolle 6 und der horizontalen Führungsrolle 7 zu verdrehen. Aus diesem Grund muß ein Abstand von 50 mm oder mehr zwischen den Führungsrollen 5 und 6 und zwischen den Führungsrollen 6 und 7 vorhanden sein, obgleich sich dieser abhängig von der Weite des Schusses Twf ändert.
Wenn der Abstand zwischen den Führungsrollen kleiner als 50 mm ist, läuft der Schuß Twf durch die vertikale Führungsrolle 6 und die horizontale Führungsrolle 7 und wird in einem gezwirnten Zustand verwebt. Ähnlich wird, wenn das CF-Garn über einen kürzeren Betrag um 90º verzwirnt wird, eine Zugspannung auf die beiden Enden des CF- Garnes aufgebracht, was Auffusseln erzeugt.
Es ist möglich, nur eine einzelne Führungsrolle anstelle der Rollen 5 bis 7 zu verwenden, jedoch stellt die Verwendung eines Paares hiervon, so daß der Schuß Twf in S- Form hindurchläuft, eine fortlaufende Spannung in dem Schuß Twf sicher, so daß eine genaue Ausrichtung des Schusses Twf ermöglicht wird.
Die Spannvorrichtung 4 wirkt dahingehend, den Schuß Twf konstant gespannt zu halten, indem ein Durchhang zwischen der Abziehrolle 3 und den horizontalen Führungsrollen 5 des Schusses Twf aufgenommen wird, der mit einer konstanten Geschwindigkeit von der Abziehrolle 3 abgespult wird, wenn der Schuß Twf intermittierend durch den Greifer 11 eingeführt wird, wie nachfolgend noch beschrieben wird. Wenn der Schuß Twf nicht durch eine Feder 4b gespannt gehalten wird, verzwirnt er sich, wenn er durchhängt, wenn er durch die Führungsrollen 5 bis 7 läuft und wird dann im verzwirnten Zustand verwebt. Eine Führung 4a am unteren Ende der Feder 4b ist seitlich angeordnet, so daß die flachen Oberflächen des CF-Garnes horizontal geführt werden.
Als anderes Verfahren zum Gespannthalten des Schusses Twf gibt es ein Verfahren, welches auf Luftsog basiert, jedoch dieses Verfahren macht ein Problem insofern, als der Schuß Twf während des Ansaugens verzwirnt wird. Auf ähnliche Weise neigen bei einem Verfahren, wo ein Gewicht verwendet wird, den Schuß Twf gespannt zu halten, Spannungsschwankungen dazu, zu hoch zu sein, was die Kohlenstoffasern beschädigt, welche den Schuß Twf bilden. Somit ist das Verfahren, welches eine Feder gemäß obiger Beschreibung verwendet, das einfachste und zuverlässigste Verfahren.
An der stromabwärtigen Seite der horizontalen Führungsrolle 7 des Schusses Twf ist eine Spannvorrichtung 8 vorgesehen, welche dahingehend wirkt, die Spannung im Schuß Twf gleichmäßig zu halten. Die Spannvorrichtung 8 hält die Spannung im Schuß Twf dadurch gleichmäßig aufrecht, daß der Schuß Twf mittels zweier breiter Blattfedern 8a und 8b gehalten wird.
Beim Verfahren zur Zufuhr des Schusses Twf in der CF- Gewebe-Webvorrichtung wird prinzipiell der Garnpfad des Schusses Twf durch die vertikale Führungsrolle 6 bestimmt, jedoch ändert sich der Garnpfad des Schusses Twf manchmal aufgrund von Schwankungen in der Spannung, oder wenn ein Verhaken am Greifer erfolgt. Aus diesem Grund ist es notwendig, sicherzustellen, daß keine Hindernisse vorhanden sind, welche in Wechselwirkung mit der Seitenkante des Schusses Twf geraten, wenn sich der Schuß Twf seitlich bewegt und von daher wird die Spannvorrichtung 8 mit den breiten Blattfedern 8a und 8b verwendet. Die Breite der Blattfedern 8a und 8b sollte das Fünffache der Garnweite des Schusses Twf oder mehr betragen.
Die Druckplattenführung 9 ist an der stromabwärtigen Seite des Schusses Twf von der Federspannvorrichtung 8 aus gesehen angeordnet und hat eine V-förmige Führungsoberfläche 9a an ihrem Ende. Die Führung 9 ist mit dem dem Greifer 11 zugeführten Garn in Verbindung und wird in Längsrichtung angetrieben, wie durch den Pfeil in Fig. 1 gezeigt, was unter Verwendung einer Nocke 9b erfolgt, auf welche die Drehung der Hauptdrehwelle 26 übertragen wird.
Eine Garnende-Halteführung 10 ist im Nahbereich der stromabwärigen Seite der Druckplattenführung 9 angeordnet. Die Garnende-Halteführung 10 hat gemäß Fig. 5 ein L-förmiges Aufnahmeteil 10a und ein Druckbauteil 10b, welches durch eine nicht gezeigte Antriebsvorrichtung auf- und abbewegt wird. Das Druckbauteil 10b der Führung 10 geht nach unten und hält das Ende des Schusses Twf, indem es dieses gegen das Aufnahmeteil 10a drückt.
Wenn somit die Druckplattenführung 9 in Richtung des Pfeiles ausgeschoben wird und die flache Oberfläche des Schusses Twf sich nach unten bewegt, während sie entlang der Neigung der H-förmigen Führungsoberfläche 9a geführt wird, bewegt sich die Garnende-Halteführung 10 ebenfalls nach unten. Im Ergebnis kreuzt der Schuß Twf das Ende des Greifers 11, wobei seine Flachheit beibehalten wird und wird sauber in einen Haken 11a des Greifers 11 eingehängt, wie noch beschrieben wird.
In diesem Falle wird normalerweise der Schuß Twf in einer Warteposition durch die Garnende-Halteführung 10 und eine Garnzufuhrführung mit einer Führungsöffnung gehalten, so daß der Schuß Twf den Greifer 11 von der Seite her überkreuzt und wenn der Greifer 11 die Garnzufuhrposition erreicht, werden beide Führungen nach unten bewegt, so daß der Schuß Twf in den Haken 11a des Greifers 11 eingehängt wird. Wenn jedoch eine Standard-Garnzufuhrführung für einen Schuß Twf bestehend aus einem flachen CF-Garn verwendet wird, um das Garn dem Greifer 11 zuzuführen, wird der Schuß Twf durch die oben erwähnte Führungsöffnung abgerieben, was die Flachheit beschädigt.
Um dieses Problem zu vermeiden, ist in der Webvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung die Druckplattenfüh rung 9 zwischen der Blattfeder-Spannvorrichtung 8 und der Garnende-Halteführung 10 angeordnet. Somit bewegt sich die Garnende-Halteführung 10 nach unten und die Druckplattenführung 9 bewegt sich vor, wenn das Garn dem Greifer 11 zugeführt wird, so daß der Schuß Twf gegen die Rückseite der Webvorrichtung (entfernte Seite in Fig. 1) gedrückt wird, so daß der Schuß Twf über den Greifer 11 hinweg läuft.
Wie in Fig. 1 gezeigt, ist der Greifer 11 ein langgestrecktes Bauteil, welches nahe eines noch zu beschreibenden Webblattes 24 angeordnet ist und er bewegt sich intermittierend seitlich, um den Schuß Twf zwischen die Vielzahl von Ketten Twr einzuführen. Der Greifer 11 wird gemäß der Fig. 2 und 3 durch eine Antriebskraft intermittierend bewegt, welche von einem Antriebsmotor 25 über eine Verbindungsvorrichtung 27 übertragen wird, welche Arme 27a bis 27d hat. Wie in Fig. 4 gezeigt, hat der Greifer 11 an seiner Spitze den Haken 11a zum Einhaken an dem flachen Schuß Twf, sowie ein Druckbauteil 11b, welches nahe dem Haken 11a angeordnet ist.
Infolgedessen wird der Schuß Twf am Haken 11a des Greifers 11 eingehakt, wenn sich der Greifer 11 in Fig. 1 nach rechts bewegt und dann wird er von dem Druckbauteil 11b niedergedrückt und gehalten.
Um den flachen Schuß Twf durch den Greifer 11 ergreifen zu können, wird das Ende des Schusses Twf, welches zur Spitze des Greifers 11 weist, von einem Klemmwerkzeug 12 ergriffen, wie es in Fig. 6 gezeigt ist. Dies macht es möglich, den Schuß Twf einzuführen, wobei seine Flachheit praktisch unangetastet bleibt.
In der Webvorrichtung für CF-Gewebe wird der um die Spule 1 herumgewickelte Schuß Twf von der Abziehrolle 3 während des Schußzufuhrvorganges, der von der oben be schriebenen Schußzufuhreinheit durchgeführt wird, mit einer konstanten Geschwindigkeit abgespult und ein Durchhang, der auftritt, wenn der Schuß Twf intermittierend von dem Greifer 11 eingeführt wird, wird von der Feder 4b der Spannvorrichtung 4 aufgenommen.
Sodann wird der Schuß Twf, der quer von der Spule 1 abgenommen wird, von den Führungsrollen 5 bis 7 geführt und an den Haken 11a des Greifers 11 durch Zusammenwirkung der Druckplattenführung 9 und der Garnende-Halteführung 10 eingehakt, wobei die Spannung im Schuß Twf durch die Blattfeder-Spannvorrichtung 8 gleichförmig aufrechterhalten wird und dann wird er zwischen die Vielzahl von Ketten Twr eingeführt, wie in Fig. 1 gezeigt.
Somit kann der Schuß Twf bestehend aus CF-Garn ohne Verzwirnung oder Beschädigungen seiner Flachheit eingewebt werden.
Die Kettenzufuhreinheit wird nun beschrieben. Das Aufsteckgatter 20 weist eine Vielzahl von Spulen 20a derart auf, daß diese frei drehbar sind. Genauso wie die Spule 1 der Schußzufuhreinheit, ist jede Spule 20a mit einer Kette Twr bestehend aus CF-Garn bewickelt. Die Kette Twr wird quer abgespult und über den Kamm 21, die horizontale Führung 22, die Weblitze 23 und das Webblatt 24 der Schußanschlaglinie zugeführt.
In diesem Fall ist die Geschwindigkeit, mit der die Kette Twr von einer Spule 20a abgespult wird, wesentlich geringer als diejenige des Schusses Twf und ist eine konstante Geschwindigkeit; von daher ist die Spule 20a nur mit einer leichten Bremse ausgestattet.
Der Kamm 21 besteht aus einer Mehrzahl von Drähten 21b, welche vertikal zwischen oberen und unteren Tragrahmen 21a und 21a in gleichen Abständen wie diejenigen der Ketten Twr des Gewebes angeordnet sind. Die Vielzahl von Ketten Twr laufen durch die Drähte 21b und 21b - eine nach der anderen -, so daß sie bezüglich der Horizontalrichtung positioniert werden und somit die Ketten Twr mit der gewünschten Dichte gekämmt werden.
In diesem Fall ist es notwendig, die Drähte 21b auf eine festgelegte Länge festzusetzen, so daß die flachen Ketten Twr von den Spulen 20a des Aufsteckgatters 20 zugeführt werden, nicht die Tragrahmen 21a und 21a berühren, sondern daß die flachen Oberflächen der Kette Twr nur die Drähte 21b berühren. Wenn die Drähte 21b kürzer als die festgelegte Länge sind, werden die Ketten Twr gequetscht. Die optimale Länge der Drähte 21b wird durch die Höhe des Aufsteckgatters 20 und die Abstände von dem Aufsteckgatter 20 zum Kamm 21 und zu der Horizontalführung 22 bestimmt, muß jedoch notwendigerweise ungefähr 300 mm betragen.
Die Horizontalführung 22 weist zwei Führungsstangen 22a auf und die Ketten Twr, welche von den Spulen 20a abgenommen werden, werden auf die beiden Führungsstangen 22a in S- Form gewickelt, um die vertikale Position einzuschränken.
Es ist nun notwendig, die flachen Oberflächen der Ketten Twr zwischen dem Kamm 21 und der Horizontalführung 22 um 90º zu drehen. Zu diesem Zweck muß der Kamm 21 von der Horizontalführung 22 wenigstens 50 mm beabstandet sein, obgleich sich dieser Abstand abhängig von der Breite der Ketten Twr ändert. Wenn der Abstand zwischen dem Kamm 21 und der Horizontalführung 22 kleiner als 50 mm ist, laufen die Ketten Twr durch die Horizontalführung 22 und werden verwebt, wobei sie in einem verzwirnten Zustand gehalten bleiben.
Die Weblitzen 23 sind jeweils für eine der Ketten Twr vorgesehen und sie führen die einzelnen Ketten Twr, welche von der Horizontalführung 22 vertikal ausgerichtet wurden, zum Weblatt 24. Die Weblitzen 23 werden durch eine nicht gezeigte Antriebsvorrichtung auf- und abbewegt, und bilden somit einen Schiffchenpfad zum Hindurchlassen des Schusses Twf zwischen der Vielzahl von Ketten Twr an der stromabwärtigen Seite des Webblattes 24.
Bei einer üblichen Weblitze ist das Litzenauge in Längsrichtung länger gemacht, um Wechselwirkungen zwischen dem benachbarten Garn und der Weblitze zu minimieren. Das Hindurchführen des CF-Garns durch ein derartiges Litzenauge, welches in Längsrichtung länger ist, zerstört jedoch die Flachheit und verhindert das Durchführen des Webvorganges mit aufrechterhaltener Flachheit. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, daß das Litzenauge 23a der Weblitze 23 so ausgebildet ist, daß es in Seitenrichtung länger ist und die Seitenlänge des Litzenauges 23a muß auf die gleiche Länge oder etwas länger als die Garnweite des CF-Garnes gesetzt werden, welches als Kette Twr verwendet wird. Die Form des Litzenauges 23a sollte rechteckförmig sein oder eine in Horizontalrichtung lange Ellipse sein.
Das Webblatt 24 dient dazu, die Vielzahl von Ketten Twr, welche von der Vielzahl von Spulen 20a im Aufsteckgatter 20 abgespult werden, mit einer gewünschten Dichte anzuordnen und um den Schuß Twf, der durch den Schiffchenpfad gelaufen ist, gegen die Schußanschlaglinie zu drücken. Der Rahmen 24a hat eine Vielzahl von vertikal angeordneten Rietstäben 24b. Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, wird das Weblatt 24 in Laufrichtung der Ketten Twr durch eine Nocke 28 bewegt, welcher durch die Drehung des Antriebsmotors 25 übertragen wird, so daß der Schuß Twf gegen die Schußanschlaglinie gedrückt wird.
In diesem Fall sollte die Spannung der Ketten Twr so niedrig wie möglich gesetzt werden. Die geringe Spannung in der Kette Twr verhindert, daß die Flachheit aufgebrochen wird, selbst wenn die laterale Position des Webblattes 24 etwas versetzt ist, was bewirkt, daß eine von der Weblitze 23 geführte Kette Twr die Rietstäbe 24b berührt oder wenn die Weblitze 23 vibriert und die Kette Twr versetzt wird und sich zu einer Seite des Litzenauges 23a bewegt.
In der oben beschriebenen Kettenzufuhreinheit werden die Ketten Twf gemäß den nachfolgenden Schritten mit der gewünschten Dichte aufgekämmt und der Schuß Twf, der von der Schußzufuhreinheit zugeführt wird, wird gegen die Schußanschlaglinie gepreßt, so daß das CF-Gewebe gewebt wird.
Zunächst werden die Ketten Twr alle von der Vielzahl von Spulen 20a im Aufsteckgatter 20 abgespult.
Die einzelnen Ketten Twr werden vom Kamm 21 horizontal ausgerichtet und dann um 90 Grad gedreht, bevor sie zu der Horizontalführung 22 geführt werden.
Die Vielzahl von Ketten Twr, welche zu der Horizontalführung 22 geführt werden, werden von den Führungsstäben 22a und 22a vertikal positioniert und dann zu den Weblitzen 23 geführt, welche durch eine nicht gezeigte Antriebsvorrichtung auf- und abbewegt werden, nämlich für jede andere Kette, so daß der Schiffchenpfad zur Einführung des Schusses Twf zwischen die Vielzahl von Ketten Twr an der stromabwärtigen Seite des Webblattes 24 gebildet wird.
Die Vielzahl von Ketten Twr, welche von der Vielzahl von Spulen 20a im Aufsteckgatter 20 abgespult wird, wird durch das Webblatt 24 in einer gewünschten Dichte ausgerichtet und dann zu der Schußanschlaglinie geführt.
Wenn von den Weblitzen 23 der Schiffchenpfad gebildet wird, wird der Schuß Twf zwischen die Vielzahl von Ketten Twr durch den intermittierenden Betrieb des Greifers 11 eingeführt und der eingeführte Schuß Twf wird durch das Webblatt 24 gegen die Schußanschlaglinie gedrückt. So wird das CF-Gewebe gewebt, wie in Fig. 1 gezeigt.
Dieser Kettenzufuhrprozeß formt sämtliche Ketten Twr in eine schichtförmige Form um, in der sie äquidistant angeordnet sind, was einen stabilen Webvorgang erlaubt.
Somit werden beim Webverfahren und der Webvorrichtung für das CF-Garn die Kette und der Schuß aus flachem CF-Garn mit großer Garnnummer verwebt, wobei ihre Flachheit aufrechterhalten wird, so daß sich ein dünnes CF-Gewebe mit gleichförmiger Faserdichte ergibt. Wie in Fig. 7 gezeigt, sind praktisch keine Kräuselungen an denjenigen Stellen zu beobachten, wo die Ketten Twr den Schuß Twf überkreuzen.
Fig. 7 zeigt in vergrößerter Darstellung den Querschnitt des gewebten CF-Gewebes. Die CF-Garne, welche die Ketten und den Schuß bilden, sind modellhaft übertrieben dargestellt.
Nachfolgend wird beschrieben, wie ein CF-Gewebe aus Ketten und Schuß bestehend aus einer Mehrzahl von Lagen eines flachen einheitlichen CF-Garns gewebt wird.
Zwei oder drei Spulen 1 sind für den Schuß vorgesehen, wobei der Schuß Twf, der von jeder Spule 1 bespult wird, als einheitliches CF-Garn genommen wird. Die zwei oder drei Schüsse Twf werden zu der Abziehrolle 3 so geführt, daß sie auf der Abziehrolle 3 übereinander geschichtet werden und dann laufen sie durch die Spannvorrichtung 4 und durch die Blattfeder-Spannvorrichtung 8.
Durch Einsetzen der laminierten Schüsse Twf zwischen die Vielzahl von Ketten Twr durch den Greifer 11, können die laminierten Schüsse Twf zwischen die Vielzahl von Ketten Twr eingeführt werden, ohne daß die Flachheit des laminierten Schusses Twf zerstört wird.
Was die Ketten betrifft, so werden die von zwei oder drei Spulen 20a abgespulten Ketten Twr als einheitliche CF- Garne übereinander gestapelt. Die laminierten Ketten Twr laufen durch die Drähte 21b und 21b des Kammes 1, werden dann zwischen den Rietstäben 24b und 24b des Webblattes 24 über die Horizontalführung 22 und die Weblitzen 23 geführt. Somit wird beim Webverfahren und der Webvorrichtung für das CF-Garn ein CF-Gewebe gewebt, bei welchem die Schüsse Twf und Ketten Twr aus laminierten einheitlichen CF-Garnen bestehen.
Das so mit den Schüssen Twf und Ketten Twr, bestehend aus zwei übereinander gelagerten einheitlichen CF-Garnen gewebte CF-Gewebe zeigt eine gleichförmige Faserdichte, jedoch keine Kräuselungen an denjenigen Abschnitten, wo die Ketten Twr und die Schüsse Twf einander überkreuzen, wie in Fig. 8 gezeigt.
Fig. 8 ist eine vergrößerte Darstellung im Querschnitt eines gewebten CF-Gewebes und der CF-Garne, welche die Ketten und Schüsse bilden, wobei die Darstellung wie in Fig. 7 übertrieben ist.
Auf der Grundlage der oben beschriebenen Webverfahren, werden nachfolgend Ausführungsformen betreffend das CF- Gewebe gegeben, welches unter Verwendung der oben erwähnten Webvorrichtung gewebt wird.

Beispiel 1

Das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung wurde durch das Webverfahren und die Webvorrichtung gewebt, wobei die Hauptdrehwelle 26 mit einer Geschwindigkeit von 120 Upm lief, unter Verwendung eines flachen CF-Garns mit einer Breite von 6,5 mm und einer Dicke 0,12 mm, dessen Form durch Aufbringen von 0,8% eines Schlichtmittels beibehalten wurde, wobei das flache CF-Garn aus einem ungezwirnten CF-Garn besteht [TORAYCA T700SC-12K (Anzahl der Kohlenstoffasern: 12.000; Garnnummer: 7.200 Denier)], hergestellt durch die Toray Industries, Inc., mit einer Zugbruchfestigkeit von 500 kgf/mm², einem Elastizitätsmodul von 23.500 kgf/mm² und einer Zugbruchdehnung von 2,1%.
Das erhaltene CF-Gewebe hat eine Grundbindung mit einer Dichte von Kette und Schuß bei 1,25 Enden/cm, wobei die Garnweite von Kette und Schuß 7,6 mm beträgt, die Garndicke 0,11 mm beträgt, das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke 69,1 beträgt, das Verhältnis von Webgarnteilung zwischen Kette und Schuß zur Garnweite 1,05 beträgt, die Gewebedicke 0,22 mm beträgt, das Gewicht des gewebten Gewebes 200 g/m² beträgt und die Faserdichte 0,91 g/cm³ beträgt.
Die Ketten und Schüsse des CF-Gewebes sind frei von Abspulverzwirnungen und haben einen Abdeckungsfaktor von 99,8 %, was bedeutet, daß praktisch keine Lücken vorliegen. Somit hat das CF-Gewebe eine gleichförmige Faserdichte und glatte Oberfläche.
Weiterhin beträgt die Webgarndichte des CF-Gewebes 1/4 eines herkömmlichen CF-Gewebes, welches eine Grundbindung, hergestellt aus einem ähnlichen CF-Garn ist [TORAYCA T300B- 3K (Anzahl der Kohlenstoffasern: 3.000; Garnnummer: 1.800 Denier)], hergestellt von Toray Industries, Inc., mit einer Kette- und Schußdichte von 5,0 Enden/cm und einem Gewicht des gewebten Gewebes von 200 g/m². Von daher ist die Webgeschwindigkeit für das CF-Gewebe viermal so schnell wie für ein herkömmliches Gewebe, was zu einer wesentlich verbesserten Herstellungsleistung führt.
Nachfolgend wurde das erhaltene CF-Gewebe mit 36 Gewichtsprozent eines Epoxyharzes getränkt mit einer Zugbruchdehnung von 3,5%, um ein Prepreg herzustellen. Das Prepreg zeigte eine glatte Oberfläche genau wie das CF- Gewebe und gleichförmig verteilte Kohlenstoffasern.
Sodann wurde das Prepreg in vier Schichten in gleicher Ausrichtung ausgelegt, um ein CFRP durch das Autoklaven- Gießverfahren herzustellen. Die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul des CFRP wurden gemäß dem CFRP-Zugtestverfahren nach ASTM D3039 gemessen.
Die Ergebnisse sind Tabelle 1 gezeigt, wo auch der Volumenanteil der Kohlenstoffasern angegeben ist. Während der Messung brach das CFRP bei einer 1,6-prozentigen Längung des CF-Garns, es entstanden jedoch keine Mikrorisse in dem Matrixharz in Querrichtung, welche die Zugrichtung im rechten Winkel kreuzt. Tabelle 1

Vergleichsbeispiel 1-1

Für Vergleichszwecke wurde das CF-Garn von Beispiel 1 verwendet, um ein Grundbindungs-CF-Gewebe mit einer Ketten- und Schußdichte von 1,25 Enden/cm unter Verwendung eines bekannten einseitigen Greiferwebstuhls gemäß einem herkömmlichen Webverfahren zu weben, bei welchem der Schuß in Längsrichtung abgespult wird und die Vielzahl von Ketten quer abgespult wird, wonach dann die einzelnen Ketten aufeinanderfolgend in die Rundlochführung des Spulengatters, das heißt die Anordnungsführung geführt werden, und die Weblitzen Litzenaugen haben, welche in Vertikalrichtung lang sind.
Die Ketten des sich ergebenden Gewebes waren gequetscht verwebt, wobei ihre Flachheit zerstört war. Der Schuß wurde mit drei bis vier Abspulverzwirnungen pro Meter gequetscht und der Abdeckungsfaktor betrug 85,0%, was eine äußerst grobe Textur bedeutet, wobei die Gewebeoberfläche Unregelmäßigkeiten zeigte. In dem gewebten Gewebe betrug die Garnweite von Kette und Schuß 4,9 mm, das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke 28,8, das Verhältnis von Webteilung zu Garnweite 1,63, die Gewebedicke 0,34 mm, das Gewicht des gewebten Gewebes 200 g/m² und die Faserdichte 0,59 g/cm³.
Das Gewebe wurde mit einem Epoxyharz mit einer Zugbruchdehnung von 3,5% auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 getränkt, um ein Prepreg herzustellen. Hierbei ging das Harz durch die Gewebelücken hindurch und ging verloren, was durch ein Formtrennmittel erfolgte; von daher mußte Harz hinzugefügt werden, um den verlorenen Anteil wieder aufzufüllen.
Das so hergestellte Prepreg wurde in vier Schichten in gleicher Ausrichtung übereinander gelegt, um durch das Autoklaven-Gußverfahren, wie im Beispiel 1 ein CFRP herzustellen.
Das erhaltene CFRP hatte eine unebene Oberfläche mit Einsenkungen an den Lücken im Gewebe und viele Fehlstellen wurden beobachtet.
Die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul des CFRP wurden mit dem Testverfahren gemessen, welches für Beispiel verwendet wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt, wo auch der Kohlenstoffaser-Volumenanteil aufgeführt ist.
Der tatsächliche Meßwert für den Kohlenstoffaser-Volumenanteil des erhaltenen CFRP war 44%; von daher zeigt Tabelle 1 die Werte, welche durch Umwandeln des Kohlenstoffaser-Volumenanteils in 55% erhalten wurden.
Wie es sich aus den Ergebnissen gemäß Tabelle 1 offensichtlich ergibt, zeigt das CFRP, welches aus dem CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, außerordentlich hohe Zugbruchfestigkeit und auch einen hohen Elastizitätsmodul, welche mit herkömmlichen Geweben auf CF-Basis unvorstellbar sind.
Im Gegensatz zu dem oben erwähnten CFRP, verwendet das CFRP vom Vergleichsbeispiel 1-1 ein verstärkendes Basisgewebe mit einer niedrigen Faserdichte von 0,60 g/cm³; von daher ist der Kohlenstoffaser-Volumenanteil entsprechend niedrig und das Matrixharz existiert in den Lücken im Gewebe ungleichförmig, was den Auftritt von Rissen bewirkt. Wie es sich aus den Ergebnissen von Vergleichsbeispiel 1-1 ergibt, hat dieses CFRP eine geringere Zugbruchfestigkeit als das CFRP von Beispiel 1.

Vergleichsbeispiel 1-2

Das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung, und wie es in Beispiel 1 gezeigt ist, wurde gewebt und das Gewebe wurde mit einem Epoxyharz mit einer 1,7-prozentigen Zugbruchdehnung getränkt, um Prepregs herzustellen, und dann wurde ein CFRP auf gleiche Weise wie im Beispiel 1 hergestellt.
Die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul des CFRP wurden nach dem Testverfahren gemessen, wie es in Beispiel 1 verwendet wurde. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt, wo auch der Kohlenstoffaser-Volumenanteil dargestellt ist.
Da das CFRP eine niedrigmatrizige Zugbruchdehnung von 1,7% hat, treten Mikrorisse eher in Seitenrichtung auf, welche die Zugrichtung kreuzen. Wie aus Tabelle 1 zu sehen ist, ist die Zugbruchfestigkeit des CFRP niedriger als in Beispiel 1.

Beispiel 2

Unter Verwendung des CF-Garn gemäß Beispiel 1 wurde ein CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung durch das Webverfahren und die Webvorrichtung gewebt. Das Gewebe wurde mit einem Vinylesterharz (RIPOXY, R804 von SHOWA HIGHPOLY- MER CO., LTD.) im Handauflegeverfahren getränkt und vier Lagen des Gewebes wurden bei Raumtemperatur (25ºC) aufgelegt und ausgehärtet, um ein CFRP herzustellen.
Obgleich das CFRP durch das Handauflege-Gußverfahren hergestellt wurde, zeigte es einen hohen Kohlenstoffaser- Volumenanteil von 45% und wurde innig mit dem Harz getränkt und war frei von Fehlstellen. Dies wurde möglich durch die hohe Faserdichte von 0,91 g/cm³ des gewebten CF- Gewebes.
Die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul des CFRP, welches so erhalten wurde, wurde nach dem Testverfahren gemessen, wie es für Beispiel 1 verwendet wurde. Wie in Tabelle 2 gezeigt, zeigte sich die Festigkeit des CFRP so hoch wie diejenige des CFRP, welches durch das Autoklaven- Gußverfahren in Beispiel 1 erhalten wurde.
Der Erhalt der Zugbruchfestigkeit gemäß Tabelle 2 bezieht sich auf einen Prozentwert von tatsächlichen Messungen gegenüber den theoretischen Festigkeitswerten, die aus der Festigkeit von CF berechnet wurden. Tabelle 2
Vergl. = Vergleichsbeispiel

Vergleichsbeispiel 2

Ein CF-Gewebe wurde durch das Webverfahren gemäß Vergleichsbeispiel 1-1 unter Verwendung eines flachen CF-Garns mit einer Breite von 2 mm und einer Dicke von 0,1 mm gewebt, wobei die Form durch Aufbringung von 1,0% eines Schlichtmittels beibehalten wurde, wobei das flache CF-Garn aus einem CF-Garn bestand [TORAYCA T300B-3K (Anzahl der Kohlenstoffasern: 3.000; Garnnummer: 1.800 Denier)] hergestellt durch Toray Industries, Inc., mit einer Zugbruchfestigkeit von 360 kgf/mm², einem Elastizitätsmodul von 23.500 kgf/mm² und einer Zugbruchdehnung von 1,5%.
Das erhaltene CF-Gewebe hatte eine Grundbindung, wobei die Dichte von Kette und Schuß 5,0 Enden/cm, die Garnweite von Kette und Schuß 1,6 mm, die Garndicke 0,13 mm, das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke 12,3, das Verhältnis von Webgarnteilung zu Garnweite 1,25, die Dicke des gewebten Gewebes 0,27 mm, das Gewicht des gewebten Gewebes 200 g/m² und die Faserdichte 0,74 g/cm³ betrug.
Wie in Beispiel 2 wurde das gewebte Gewebe mit dem erwähnten Vinylesterharz durch das Handauflegeverfahren getränkt und das gewebte Gewebe wurde in vier Schichten aufgelegt und dann bei Raumtemperatur (25ºC) ausgehärtet, um ein CFRP zu erzeugen. Das sich ergebende CFRP zeigte einen normalen Wert des Kohlenstoffaser-Volumenanteils von 32,1% und gute Eigenschaften hinsichtlich der Harztränkfähigkeit.
Die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul des CFRP wurden nach dem Testverfahren gemäß Beispiel 1 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt, wo auch der Kohlenstoffaser-Volumenanteil und der Erhalt der Zugfestigkeit aufgeführt sind.
Das CF-Gewebe von Vergleichsbeispiel 2 zeigt keine Probleme hinsichtlich der Harztränkfähigkeit und unterscheidet sich von dem CF-Gewebe von Beispiel 2 nur in dem verwendeten CF-Garn. Wie jedoch in Tabelle 2 gezeigt, ist die Zugbruchfestigkeit des CFRP von Vergleichsbeispiel 2 im Vergleich zu dem CFRP von Beispiel 2 extrem niedrig. Dieses Ergebnis kann mit dem Erhalt der Zugfestigkeit erklärt werden, wobei Kräuselungen in den CF-Webgarnen zur Festigkeit des CFRP beitragen.
Während die Faserdichte des CF-Gewebes im CFRP von Vergleichsbeispiel 2 0,74 g/cm³ betrug, hatte das CF-Gewebe im CFRP von Beispiel 2 eine hohe Faserdichte von 0,91 g/cm³ und von daher war der Kohlenstoffaser-Volumenanteil in CFRP entsprechend höher und weiterhin hatte das CF-Gewebe im Beispiel 2 weniger Kräuselungen im Webgarn, was zu höherer Festigkeit führte.
Auf der Grundlage der Zugtests in den Beispielen 1 und 2, den Vergleichsbeispielen 1-1, 1-2 und dem Vergleichsbeispiel 2 wurde das Festigkeitscharakteristikdiagramm von Fig. 9 erstellt, wobei die Zugfestigkeit (%) auf der X- Achse und die Zugbelastung (kgf/mm²) auf der Y-Achse aufgeführt sind.
Wie sich aus Fig. 9 offensichtlich ergibt, zeigt sich ein Abfall im Elastizitätsmodul Vor der Bruchlast, der sich aufgrund des Auftretens von Rissen erklären läßt, welche mit einem Spalt mit viel Matrixharz im CFRP des Vergleichsbeispieles 1-1 beginnen oder aufgrund des Auftretens von Mikrorissen in Seitenrichtung, welche die Zugrichtung im rechten Winkel des CFRP im Vergleichsbeispiel 1-2 kreuzen.
Auch im CFRP des Vergleichsbeispiels 2 beginnt die Änderungsrate des Elastizitätsmoduls bei einer Zugbelastung von 0,6% abzufallen. Der Grund hierfür dürfte in Kräuselungen des verwendeten CF-Garnes liegen, welche geradegezogen werden, wobei das eingebrachte Harz das CF-Garn nicht länger tragen kann. Diese Annahme basiert auf Rissen, welche im Harz des CFRP im Vergleichsbeispiel 2 beobachtet wurden.
Wenn somit dieses CFRP als tragendes Material verwendet wird, ist es gefährlich, sich auf die Zugbruchfestigkeit zu verlassen. Es ist notwendig, als Basis eine niedrigere Zugbruchfestigkeit anzunehmen.

Beispiel 3

Das CF-Gewebe gemäß der vorliegenden Erfindung wurde durch das Webverfahren und die Webvorrichtung unter Verwendung eines flachen CF-Garns gewebt, welches eine Breite von 6,5 mm und eine Dicke von 0,12 mm hatte und dessen Form durch Aufbringung Von 0,8% eines Schlichtmittels beibehalten wurde, wobei das flache CF-Garn aus einem ungezwirnten CF-Garn bestand (TORAYCA T700SC-12K (Anzahl der Kohlenstoffasern: 12.000; Garnnummer: 7.200 Denier)] hergestellt von Toray Industries, Inc., mit einer Zugbruchfestigkeit von 500 kgf/mm², einem Elastizitätsmodul von 23.500 kgf/mm² und einer Zugbruchdehnung von 2,1% als Kette, wobei weiterhin als Schuß ein Glasfasergarn [ECE22S-1/2 (Anzahl von Fasern: 460; Garnnummer: 405 Denier) hergestellt von Nitto Boseki Co., Ltd.] als Hilfsgarn verwendet wurde.
Das erhaltene CF-Gewebe hatte eine gleichgerichtete Grundbindung, wobei die Dichte der Kette 1,25 Enden/cm, die Dichte des Schusses 2,5 Enden/cm, die Garnweite der Kette 7,8 mm, die Kettendichte 0,1 mm, das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke in der Kette 78, das Verhältnis von Webgarnteilung zu Garnweite in der Kette 1,03, die Gewebedicke 0,11 mm, das Gewicht des gewebten Gewebes 111 g/m² und die Faserdichte 1,01 g/cm³ betrug.
Das CF-Gewebe war ein dünnes Gewebe mit gleichförmiger Faserdichte und keinen Lücken zwischen einander benachbarten Ketten.
Das Gewebe wurde mit dem Vinylesterharz von Beispiel 2 durch das Handauflegeverfahren getränkt und vier Lagen des sich ergebenden Gewebes wurden in gleicher Ausrichtung übereinander gelegt und dann bei Raumtemperatur (25ºC) ausgehärtet, um ein CFRP zu erzeugen.
Die Zugbruchfestigkeit des CFRP in Richtung der CF-Faserausrichtung wurde durch das Testverfahren gemäß Beispiel 1 ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt, wo auch der Kohlenstoffaser-Volumenanteil und der Elastizitätsmodul angegeben sind.
Das erhaltene CFRP zeigte einen hohen Kohlenstoffaser- Anteil und eine hohe Zugbruchfestigkeit trotz der Tatsache, daß es durch das Handauflegeverfahren hergestellt wurde.

Vergleichsbeispiel 3

Ein gleichgerichtetes CF-Gewebe in Grundbindung wurde gemäß dem Webverfahren wie in Vergleichsbeispiel 1-1 gewebt unter Verwendung eines CF-Garnes für die Kette (Kettengarndichte: 1,25 Enden/cm) und eines Glasfasergarns (Hilfsgarn) für den Schuß (Schußgarndichte: 2,5 Enden/cm), wie in Beispiel 3.
Das erhaltene CF-Gewebe hatte eine extrem grobe Textur mit Spalten zwischen den Ketten, wobei die Kettenweite 5,0 mm, die Kettendicke 0,15 mm, das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke in der Kette 33, das Verhältnis von Webteilung zu Garnweite in der Kette 1,60, die Gewebedicke 0,16 mm, das Gewicht des gewebten Gewebes 111 g/m² und die Faserdichte 0,69 g/cm³ betrug.
Dieses Gewebe wurde verwendet, um durch das in Beispiel 3 beschriebene Handauflegeverfahren ein CFRP herzustellen, und die Zugbruchfestigkeit wurde durch das Testverfahren gemäß Beispiel 1 ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Tabelle 3
Beisp.: Beispiel
Vergl.: Vergleichsbeispiel
Wie sich aus Tabelle 3 ergibt, betrugen der Kohlenstoffaser-Volumenanteil und die Zugbruchfestigkeit des CFRP vom Vergleichsbeispiel 3 ungefähr 34% bzw. ungefähr 105 kgf/mm², welche beide niedriger als im CFRP von Beispiel 3 sind.
Eine Untersuchung des CFRP vom Beispiel 3 zeigte, daß dort das Harz gleichförmig in das CF-Gewebe mit praktisch keinerlei Fehlstellen eingesickert war im Vergleich zum CFRP vom Vergleichsbeispiel 3.

Beispiele 4-8

CF-Gewebe wurden durch das Webverfahren und die Webvorrichtung unter Verwendung eines ungezwirnten CF-Garns (TORAYCA T700SC von Toray Industries, Inc.) gemäß Beispiel 1, jedoch unter Verwendung unterschiedlicher Anzahlen von Fasern, unterschiedlichen Garnweiten und unterschiedlichen Garnnummern gewebt. Tabelle 4 zeigt die verwendeten CF- Garne, die Spezifikationen der gewebten Gewebe und die Gewebeeigenschaften der erhaltenen CF-Gewebe.
Nachfolgend wurde jedes der CF-Gewebe mit 36 Gewichtsprozent eines Epoxyharzes mit einer Zugbruchdehnung von 3,5% getränkt, um Prepregs herzustellen. Vier Lagen eines jeden Prepregs wurden in gleicher Ausrichtung aufgelegt und CFRPs wurden durch das Autoklaven-Gußverfahren hergestellt. Die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul aller CFRPs wurden gemäß dem CFRP-Zugtestverfahren nach ASTM D3039 gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt, wo auch der Kohlenstoffaser-Volumenanteil, die Oberflächenglätte und die Fehlstellenrate angegeben sind.

Vergleichsbeispiele 4-8

Zum Zwecke des Vergleiches wurden unter Verwendung des gleichen CF-Garns für die Beispiele 4-8 fünf Arten von CF- Geweben hergestellt, welche sich in Garnweite, Verhältnis von Garnweite zu Garndicke, Verhältnis von Webteilung zu Garnweite, Gewicht des gewebten Gewebes, Gewebedicke und Faserdichte unterschieden. Tabelle 4 zeigt die Spezifikationen und Eigenschaften dieser CF-Gewebe.
Sodann wurde jedes dieser CF-Gewebe mit 36 Gewichtsprozent eines Epoxyharzes mit einer Zugbruchdehnung von 3,5% getränkt, um Prepregs herzustellen. Vier Lagen eines jeden Prepregs wurden in gleicher Ausrichtung übereinander gelegt und CFRPs wurden durch das Autoklaven-Gußverfahren hergestellt. Die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul all dieser CFRPs wurden gemäß dem CFRP-Zugtestverfahren nach ASTM D 3039 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt, wo auch der Kohlenstoffaser-Volumenanteil, die Oberflächenglätte und die Fehlstellenrate angegeben sind.
Wie sich aus Tabelle 4 ergibt, haben die CF-Gewebe der Beispiele 4 bis 8 höhere Abdeckungsfaktoren und glattere Gewebeoberflächen im Durchschnitt als die CF-Gewebe der Vergleichsbeispiele 4 bis 8.
Die CF-Gewebe der Vergleichsbeispiele 4 und 6 wurden das Webverfahren und die Webvorrichtung auf eine Weise gewebt, daß die Flachheit des CF-Garns nicht gestört wurde. Das Gewicht des gewebten Gewebes und die Faserdichte waren jedoch für die Garnnummer des verwendeten CF-Garns extrem gering und von daher waren die Spalte zwischen Kette und Schuß hoch mit einem sich ergebenden geringen Abdeckungsfaktor. Tabelle 4
Beisp4 bis Beisp8: Beispiel 4 bis Beispiel 8
Vergl9 bis Vergl8: Vergleichsbeispiel 4 bis Vergleichsbeispiel 8
Verhältnis W/D: Verhältnis Garnweite/Garndicke
Verhältnis WGT/GW: Verhältnis Webgarnteilung/Garnweite
Faserd.: Faserdichte
Abdeckungsf.: Abdeckungsfaktor
OG: Oberflächenglätte
schl: schlecht
eschl: etwas schlecht Tabelle 5
ZBF: Zugbruchfestigkeit
E-Modul: Elastizitätsmodul
Zusätzlich hatten die CFRPs, welche die CF-Gewebe der Vergleichsbeispiele 4 und 6 verwendeten, größere Lücken zwischen Kette und Schuß als die CFRPs, welche die CF- Gewebe der Beispiele 4 bis 8 verwendeten; daher zeigten sie geringe Zugbruchfestigkeit und geringeren Elastizitätsmodul, wie in Tabelle 5 gezeigt.
Das Gewicht des gewebten Gewebes und die Gewebedicke der CF-Gewebe der Vergleichsbeispiele 5, 7 und 8 waren für die verwendete Garnnummer des CF-Garns extrem hoch und von daher hatten die CF-Gewebe einen hohen Abdeckungsfaktor und Faserdichte, jedoch geringe Glätte und sie waren zu dick, wie sich aus Tabelle 4 offensichtlich ergibt.
Wie sich somit klar aus Tabelle 5 ergibt, hatten die CFRPs, welche die CF-Gewebe der Vergleichsbeispiele 5, 7 und 8 verwendeten, schlechte Oberflächenglätte und hohe Fehlstellenrate; von daher waren ihre Zugbruchfestigkeiten und Elastizitätsmodule kleiner als der CFRPs, welche die CF-Gewebe der Beispiele 4 bis 8 verwendeten.

Beispiel 9

Ein CF-Gewebe wurde durch das Webverfahren unter Verwendung eines flachen ungezwirnten CF-Garns gewebt (Anzahl der Kohlenstoffasern: 12.000; Garnnummer: 7.200 Denier; Garnweite: 6,5 mm; Garndicke: 0,12 mm), wie es im Beispiel 1 verwendet wurde und zwar als einheitliches CF-Garn, wobei die einheitlichen CF-Garne von der Abziehrolle 3 der Schußzufuhreinheit von zwei Spulen 1, welche vorab eingebaut wurden, abgespult wurde und die beiden Garne wurden übereinander gelegt, um den Schuß zu bilden, wobei dann die einheitlichen CF-Garne von zwei Spulen 20a der Kettenzufuhreinheit abgespult wurden und die beiden Garne wurden übereinander gelegt, um in der Webvorrichtung die Kette zu bilden, wobei die Dichte von Kette und Schuß 1,56 Enden/cm betrug.
Das verwendete CF-Garn, Gewebespezifikationen und Gewebeeigenschaften des erhaltenen CF-Gewebes sind in der unten aufgeführten Tabelle 6 gezeigt.
Sodann wurde das so hergestellte CF-Gewebe mit 36 Gewichtsprozent eines Epoxyharzes mit einer Zugbruchdehnung von 3,5% getränkt, um Prepregs herzustellen, wie in den Beispielen 4 bis 8. Vier Lagen eines jeden Prepregs wurden Tabelle 6 Tabelle 6
Verhältnis W/D: Verhältnis Garnweite/Garndicke
Verhältnis WGT/GW: Verhältnis Webgarnteilung/Garnweite
eschl: etwas schlecht
in gleicher Ausrichtung übereinander gelegt und CFRPs wurden durch das Autoklaven-Gußverfahren hergestellt. Die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul aller CFRPs wurden gemäß dem CFRP-Testverfahren nach ASTM D 3039 gemessen.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 gezeigt, wo auch der Kohlenstoffaser-Volumenanteil, die Oberflächenglätte und die Fehlstellenrate angegeben sind.
Wie sich offensichtlich aus Tabelle 6 ergibt, hat das CF-Gewebe gemäß diesem Beispiel ein hohes Gewicht des gewebten Gewebes und eine schlechte Tränkung mit Harz wäre zu befürchten gewesen.
Die CF-Garne des CF-Gewebes dieses Beispiels liegen jedoch aufeinander flach und von daher wurde das Harz vollständig durch die Spalte zwischen den flachen CF-Garnen zum Zeitpunkt des Gießen des Prepregs aufgenommen, was den Auftritt von großen Fehlstellen verhinderte. Das hergestellte CFRP zeigte hohe Zugbruchfestigkeit, wie in Tabelle 7 gezeigt. Tabelle 7

Vergleichsbeispiel 9

Zum Zwecke des Vergleiches wurde ein CF-Gewebe durch die Webvorrichtung und das Verfahren gewebt, um ein Vergleichsbeispiel 9 zu erhalten. Im Vergleichsbeispiel 9 wurde das ungezwirnte flache Einheits-CF-Garn, welches im Beispiel 9 verwendet wurde, nicht in Schichten angeordnet, und wurde auf gleiche Weise verwebt, so daß das Gewebe eine Grundbindung mit einer Ketten-Schußdichte von 3,13 Enden/cm hatte, wobei das Gewicht des gewebten Gewebes ebenfalls 500 g/m³ wie beim CF-Gewebe erhalten im Beispiel 9 betrug und Kette und Schuß nicht gezwirnt waren. Das verwendete CF- Garn, die Gewebespezifikationen und Gewebeeigenschaften des erhalten CF-Gewebes sind in Tabelle 6 gezeigt.
Wie in Tabelle 6 gezeigt, zeigte das erhaltene Gewebe den gleichen hohen Abdeckungsfaktor wie in Beispiel 9; die Webgarnteilung von Kette und Schuß betrug jedoch 3,2 mm (= 3 · 1,07), was kleiner als die Webteilung von Beispiel 9 ist (Kette: 6, 2 mm = 6,1 · 1,02; Schuß: 6,2 mm = 6,0 · 1,04) und von daher wurde das flache CF-Garn in Breitenrichtung aufgestaucht, was eine unebene Oberfläche bewirkte.
Unter Verwendung des so hergestellten CF-Gewebes wurde auf gleiche Weise wie im Beispiel 9 ein Prepreg gemacht, um ein CFRP herzustellen. Die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul des erhaltenen CFRP wurden wie in Beispiel 9 gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 gezeigt, wo auch der Kohlenstoffaser-Volumentanteil, die Oberflächenglätte und die Fehlstellenrate angegeben sind.
Das CF-Gewebe dieses Vergleichsbeispiels hatte ein höheres Gewicht im gewebten Gewebe und zeigte auch einige Abschnitte, in denen die Lücken, durch welche das Matrixharz eintritt, vollständig unterbrochen waren. Dies führte zu einer schlechten Tränkung mit Harz beim Herstellungsprozeß für das Prepreg.
Aus diesem Grund zeigte gemäß Tabelle 7 das hergestellte CFRP eine schlechte Oberflächenglätte und eine hohe Fehlstellenrate. Auch die Zugbruchfestigkeit und der Elastizitätsmodul des CFRP waren geringer als beim CFRP, welches unter Verwendung des CF-Gewebes vom Beispiel 9 hergestellt wurde.
Wie sich somit aus den Ergebnissen von Beispiel 9 und Vergleichsbeispiel 9 offensichtlich ergibt, verschlechtert sich die Harztränkeigenschaft nicht bei einem CF-Gewebe, welches aus Kette und Schuß gewebt worden ist, die aus Lagen von flachen ungezwirnten einheitlichen CF-Garn hergestellt worden sind, selbst, wenn das Gewicht des gewebten Gewebes hoch ist.

Claims

1. Eine Faser-Harzzusammensetzung, welche ein aus Kohlenstoffaser gewebtes Gewebe mit einem flachen Kohlenstofffasergarn aufweist, welches aus vielen Kohlenstoffasern zumindest in der Kette (Twr) oder dem Schuß (Twf) besteht,

wobei das flache Kohlenstoffasergarn ungezwirnt ist und die Anzahl der Kohlenstoffasern hiervon 6.000 bis 36.000 beträgt, die Garnnummer 3.000 bis 30.000 Denier beträgt, die Garnweite 4 bis 16 mm beträgt, die Garndicke 0,07 bis 0,6 mm beträgt und das Verhältnis von Garnweite zu Garndicke 20 bis 150 beträgt, und

wobei das aus Kohlenstoffaser gewebte Gewebe, welches das flache Kohlenstoffasergarn verwendet, ein Verhältnis der Webgarnteilung zwischen Kette und Schuß zur Garnweite im Bereich von 1,0 bis 1,2, eine Gewebedicke im Bereich von 0,1 bis 0,6 mm, ein Gewicht des gewebten Gewebes im Bereich von 90 bis 500 g/m² und eine Faserdichte des gewebten Gewebes im Bereich von 0,8 bis 1,2 g/cm² hat, wobei

die Faser-Harzzusammensetzung mit 30 bis 70 Gew.-% Matrixharz getränkt wird.

2. Eine Faser-Harzzusammensetzung nach Anspruch 1, welche ein aus Kohlenstoffaser gewebtes Gewebe aufweist,

wobei das flache Kohlenstoffasergarn 6.000 bis 24.000 Kohlenstoffasern, eine Garnnummer von 3.000 bis 20.000 Denier und eine Dicke von 0,07 bis 0,2 mm aufweist, und wobei das aus Kohlenstoffaser gewebte Gewebe eine Garndicke von 0,07 bis 0,2 mm, ein Verhältnis der Garnweite zur Garndicke von 30 bis 150, eine Dicke des gewebten Gewebes von 0,1 bis 0,4 mm und ein Gewicht des gewebten Gewebes von 100 bis 300 g/m² hat.

3. Eine Faser-Harzzusammensetzung nach Anspruch 2,

wobei das Gewicht des gewebten Gewebes und die Garnnummer des Kohlenstoffasergarns die Beziehung gemäß nachfolgender Formel erfüllen und weiterhin der Abdeckungsfaktor im Bereich von 95 bis 100% liegt:

W = k · D1/2,

wobei

W das Gewicht des gewebten Gewebes ist,

k die Proportionalitätskonstante (1,6 bis 3,5) ist,

D die Garnnummer von Kette oder Schuß ist, welche aus Kohlenstoffasergarn ist.

4. Eine Faser-Harzzusammensetzung nach Anspruch 1, welche ein aus Kohlenstoffaser gewebtes Gewebe aufweist,

wobei das flache Kohlenstoffasergarn 6.000 bis 24.000 Kohlenstoffasern, eine Garnnummer von 3.000 bis 20.000 Denier und eine Dicke von 0,07 bis 0,2 mm hat, und

wobei das aus Kohlenstoffaser gewebte Gewebe ein gleichgerichtet gewebtes Gewebe ist und eine Garndicke von 0,07 bis 0,2 mm, ein Verhältnis von Garnweite zu Garndicke von 30 bis 150, eine Dicke des gewebten Gewebes von 0,1 bis 0,3 mm und ein Gewicht des gewebten Gewebes von 90 bis 200 g/m² hat.

5. Eine Faser-Harzzusammensetzung nach Anspruch 4, wobei das Gewicht des gewebten Gewebes und die Garnnummer des Kohlenstoffasergarns die Beziehung gemäß nachfolgender Formel erfüllen und weiterhin der Abdeckungsfaktor im Bereich von 95 bis 100% liegt

W = k · D1/2,

wobei

W das Gewicht des gewebten Gewebes ist,

k die Proportionalitätskonstante (0,9 bis 2,0) ist,

D die Garnnummer von Kette oder Schuß ist, welche aus Kohlenstoffasergarn ist.

6. Eine Faser-Harzzusammensetzung, welche ein aus Kohlenstoffaser gewebtes Gewebe aufweist mit einem flachen Kohlenstoffasergarn, bestehend aus vielen Kohlenstoffasern zumindest in der Kette (Twr) oder dem Schuß (Twf),

wobei das flache Kohlenstoffasergarn ungezwirnt ist und aus einer Vielzahl von Schichten aus flachen, einheitlichen Kohlenstoffasergarnen besteht, wobei die Anzahl der Kohlenstoffasern in dem einheitlichen Kohlenstoffasergarn im Bereich von 3.000 und 12.000 liegt, eine Garnnummer im Bereich von 1.500 bis 10.000 Denier liegt, eine Garnweite im Bereich von 4 und 16 mm liegt, eine Garndicke im Bereich von 0,07 und 0,2 mm liegt und ein Verhältnis von Garnweite zu Garndicke im Bereich von 30 bis 150 liegt, und

wobei das aus Kohlenstoffaser gewebte Gewebe, welches das flache Kohlenstoffasergarn verwendet, ein Verhältnis der Webgarnteilung zwischen Kette und Schuß zur Garnweite im Bereich von 1,0 bis 1,2, eine Gewebedicke im Bereich von 0,2 bis 0,6 mm, ein Gewicht des gewebten Gewebes im Bereich von 200 bis 500 g/m² und eine Faserdichte des gewebten Gewebes im Bereich von 0,8 bis 1,2 g/cm² hat, wobei die Faser-Harzzusammensetzung mit 30 bis 67 Gew.-% Matrixharz getränkt wird.

7. Eine Faser-Harzzusammensetzung nach Anspruch 6, wobei das Gewicht des gewebten Gewebes und die Garnnummer des Kohlenstoffasergarns die Beziehung gemäß nachfolgender Formel erfüllen und weiterhin der Abdeckungsfaktor im Bereich von 95 bis 100% liegt:

W = k · D1/2,

wobei

W das Gewicht des gewebten Gewebes ist,

k die Proportionalitätskonstante (2,0 bis 4,2) ist,

D die Garnnummer des Kohlenstoffasergarnes ist, welches aus einer Mehrzahl von Schichten einzelner Kohlenstoffasergarne besteht.

8. Eine Faser-Harzzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Matrixharz ein wärmeaushärtendes Harz oder ein thermoplastisches Harz ist.

9. Eine Faser-Harzzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Matrixharz ein thermisch aushärtendes Harz ist, dessen Zugbruchdehnung 3, 5 bis 10% beträgt oder ein thermoplastisches Harz ist, dessen Zugbruchdehnung 8 bis 200% beträgt.

10. Eine Faser-Harzzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Faser-Harzzusammensetzung ein Prepreg ist.

11. Eine Faser-Harzzusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Faser-Harzzusammensetzung ein Kohlenstoffaser-verstärkter Kunststoff ist.