DE69516105T2

DE69516105T2 - Geformte Filamentstrukturen und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE69516105T2
Application number: DE69516105T
Authority: DE
Inventors: Kevin L. Leffel; David M. Ronyak
Original assignee: BF Goodrich Corp
Current assignee: Goodrich Corp
Priority date: 1994-12-29
Filing date: 1995-12-28
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2015-12-29
Also published as: EP0721835B2; DE69516105D1; US5546880A; EP0721835A3; JPH094661A; EP0721835A2; CA2166251A1; DE69516105T3; EP0721835B1

Description

Diese Erfindung betrifft faserige Substrate für die Herstellung von Verbundstoffen, die Kohlenstoff und/oder Keramik (einschließlich Mischungen derselben) aufweisen und die durch Kohlenstoff und/oder Keramik (einschließlich Mischungen derselben) aufweisende Fasern verstärkt sind, und Verfahren zum Herstellen dieser Verbundstoffe. Ein Beispiel für einen derartigen Verbundstoff ist eine Bremsscheibe mit einer Kohlenstoff-Faser/Kohlenstoff-Matrix, die durch Auftragen einer Kohlenstoff-Matrix auf ein Kohlenstoff-Faser-Substrat gemäß der Erfindung hergestellt wird, wobei das faserige Material des Substrats karbonisiert wird, um die Kohlenstoff-Matrix mit Kohlenstoff-Fasern zu verstärken. Das Auftragen von Kohlenstoff auf das Substrat erfolgt vor Ort durch Cracken eines kohlenstoffhaltigen Gases (im folgenden bezeichnet als Kohlenstoff-Aufdampfen, abgekürzt "CVD", oder Kohlenstoff-Dampfinfiltration, abgekürzt "CVI", da diese Ausdrücke für die Zwecke der Erfindung austauschbar verwendbar sind), oder durch wiederholtes Imprägnieren des Substrats mit einem kohlenstoffhaltigen Harz und anschließendem Verkohlen dieses Harzes, oder durch eine Kombination dieser Verfahren, um die Kohlenstoff-Matrix auf dem karbonisierten Substrat zu verdichten. Die Erfindung betrifft nicht die Bildung der Kohlenstoff-Matrix oder die Verdichtung des Kohlenstoff- Faser-Substrats, sondern das Substrat, seine Zubereitung und seine in bekannter Weise durchgeführte Verdichtung, um eine durch Kohlenstoff- Fasern verstärkte Verbundstoff zu bilden, insbesondere eine derartige Verbundstoff, die zur Verwendung als Bremsscheibe in einer Bremse oder Kupplung geeignet ist.
Ein zur Verwendung bei der Erfindung bevorzugtes Material ist eine Polyacrylnitril-(PAN-)Faser, die, insbesondere falls ein CVD-Verfahren verwendet werden soll, vorzugsweise in einem oxidierten Zustand vorliegt, der die anschließende Verkohlung erleichtert. Ferner können sich auch PAN-Rohfasern und Kohlenstoff-Fasern oder Graphit-Fasern als geeignet erweisen. Eine oxidierte PAN-Faser (die im folgenden als "OPF" bezeichnet werden kann) ist im Handel in verschiedenen Formen erhältlich, zu denen Werggarne, Garne, gewobene und ungewobene Stoffe, Strickgewebe und Filzmaterialien gehören. Eine für die vorliegende Erfindung bevorzugte Ausgangsform ist ein OPF-Werggarn des Typs, der von RKT in Muir of Ord, Schottland erhältlich ist. Es können Werggarne und/oder Garne aus PAN-Fasern, Kohlenstoff- Fasern, Graphit-Fasern, Keramik-Fasern, Vorstufen von Kohlenstoff- Fasern und Vorstufen von Keramik-Fasern und Mischungen aus diesen verwendet werden. Der Ausdruck "Werggarn" wird hier verwendet, um einen Strang aus Endlos-Filamenten zu bezeichnen. Der Ausdruck "Garn" bezeichnet hier einen Endlos-Strang aus durchgehenden Fasern oder Stapelfasern oder Mischungen aus diesen; somit fallen unter den Ausdruck "Garn" auch Werggarne. Endlos-Fasern werden generell gegenüber nicht endlosen Fasern bevorzugt, und zwar aufgrund der verbesserten mechanischen Eigenschaften des resultierenden Verbund- Produkts.
Bei bestimmten bekannten Vorgängen (einschließlich denjenigen gemäß U. S.-Patent 3,657,061 von Carlson et al., und US-A-4,790,052 von Olry) zur Herstellung von mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Reibscheiben, z. B. Bremsscheiben für Flugzeuge, werden Ringkörper aus parallelseitigen mehrschichtigen Bahnen von PAN-Fasermaterial geschnitten, um einen oder mehrere Substrat-Ringkörper zu bilden. Dieses Verfahren führt zu einer beträchtlichen Verschwendung kostenaufwendigen PAN- oder OPF-Bahnmaterials, und der Ausschuß kann nicht zu einem Endlos-Filament neuverarbeitet werden, um eine neue Bahn mit Endlos-Filamenten zu bilden.
Nach Lawton et al. US-A 4,955,123; 5,081,754; 5,113,568; 5,184,387 und 5,323,523 wird die Menge an Ausschuß, die bei der Herstellung von Vorformen für die Produktion von Scheiben für Flugzeug-Bremssystemen verwendet wird, reduziert, indem eine geformte Filament-Struktur auf die folgende Weise zubereitet wird: Vernadeln einer unidirektionalen Schicht von Filamenten zur Erzeugung eines Maßes an dimensionaler Stabilität; Schneiden mehrerer Segmente aus der unidirektionalen Schicht vernadelten Materials; Zusammenfügen mehrerer derartiger Segmente in seitlich nebeneinanderliegender Beziehung zur Erzeugung einer Filament-Schicht der erforderlichen strukturellen Form; Überlegen mindestens einer ähnlichen Schicht auf die erste Schicht; und Vernadeln der übereinanderliegenden Schichten zum Zusammenfügen und Verbinden der Elemente. Gemäß Lawton et al. wird eine Verschwendung von Fasermaterial reduziert, da es möglich ist, die Segment-Formen derart auszulegen, daß eine maximale Ausnutzung des Filamentmaterials erreicht wird. Der Vorgang gemäß Lawton et al. hat mehrere Nachteile. Die vernadelte unidirektionale "Gewebe"-Schicht aus Filamenten und die aus dieser herausgeschnittenen Segmente sind aufgrund der unzulänglichen Seitenbemessungsstabilität der unidirektionalen Filament-Schicht schwer zu handhaben. Die aus der unidirektionalen Filament-Schicht geschnittenen bogenförmigen Segmente müssen unterschiedliche Filament-Strang-Winkel haben, um der ringförmigen Vorform und der resultierenden Bremsscheibe adäquate Eigenschaften zu verleihen. Es wird beträchtliches Ausschußmaterial erzeugt, da die Segmente aus der Bahn geschnitten werden müssen, die verschiedene Strang-Ausrichtungen relativ zu der Richtung der Filamente aufweist. Bogenförmige Segmente mit unterschiedlichen Filament-Strang-Winkeln müssen derart zusammengefügt werden, daß relativ zu dem zu bildenden Ringkörper sowohl radial angeordnete als auch in Strangrichtung angeordnete Filamente vorliegen. Das letztgenannte Erfordernis verursacht ein logistisches Problem.
Gemäß US-A-3,730,320 von Freeder et al. werden segmentierte Streifen aus Harz, die mit Kohlenstoff- oder Graphit-Stoffmaterial imprägniert sind, an entgegengesetzten Seiten der Scheibe in teilweise überlappender Beziehung mit gegenüberliegenden Enden zusammengefügt. Die Scheibe wird unter Hochtemperatur und -druck geformt und ausgehärtet, um die segmentierten Streifen miteinander zu verbonden. Die ausgehärtete Scheibe wird dann pyrolisiert, um eine Kohlenstoff- oder Graphit-Matrix mit Verkohlungsverbindung zu bilden.
Gemäß einem weiteren bekannten Verfahren werden bogenförmige Sektoren aus mit Harz imprägniertem Kohlenstoff- oder Graphit-Stoff in gestapelten ringförmigen Schichten zusammengefügt, wobei die radialen Verbindungen, die durch die aneinander anliegenden Enden der Sektoren jeder Schicht gebildet sind, relativ zu denjenigen benachbarter Schichten umfangsmäßig versetzt werden.
Es ist Aufgabe bestimmter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei der Bildung faseriger Vorformen zur Verwendung bei der Herstellung von Bremsscheiben den Ausschuß an Fasermaterial zu minimieren.
Es ist eine weitere Aufgabe bestimmter Ausführungsformen der Erfindung, eine Vorform einer ringförmigen Reibscheibe zu schaffen, die der Endform weitgehend entspricht.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen ringförmigen faserigen Struktur (10, 40) mit einem Radius und einer Dicke angegeben, das die folgenden Schritte umfaßt: Bildung eines multidirektionalen Textilproduktes (30, 50), das Filamente (12) aufweist, die sich in mindestens zwei Richtungen erstrecken; Schneiden bogenförmiger oder trapezförmiger Sektoren (20, 20') einer Ringform aus dem multidirektionalen Textilprodukt, wobei jeder Sektor eine radiale Breite (22, 22') hat, die im wesentlichen der radialen Breite (24) der zu bildenden faserigen Struktur entspricht; Aneinanderlegen der Sektoren (20, 20') zur Bildung einer ringförmigen Schicht (26), die eine radiale Breite (22) hat, die im wesentlichen der radialen Breite (24) der zu bildenden faserigen Struktur entspricht; Bilden eines Stapels (29) aus derart gebildeten Schichten faserigen Materials, wobei eine Schicht über der anderen angeordnet wird; und Vernadeln der gestapelten Schichten (26), um eine Vernetzung der Schichten durch Filamente (15) zu erzeugen, die aus den Schichten (26) herausragen und sich in einer Richtung erstrecken, die im wesentlichen senkrecht zu den Stirnseiten (17, 18) der Schichten (26) verläuft.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine flache ringförmige mehrschichtige faserige Struktur (10, 40, 60, 70, 80) mit einem Radius und einer Dicke geschaffen, wobei die Struktur einen Stapel (29) übereinander angeordneter Schichten (26) aus faserigem Material aufweist, die durch Filamente (15) miteinander vernetzt sind, welche aus den Schichten (26) derart herausragen, daß sie sich in einer im wesentlichen senkrecht zu den Stirnseiten (17, 18) der Schichten (26) verlaufenden Richtung erstrecken, wobei die Schichten (26) aus bogenförmigen oder trapezartigen Sektoren (20, 20') einer Ringform aus einem multidirektionalen Textilprodukt (30, 50) gebildet sind, das Filamente (12) aufweist, die sich in mindestens zwei Richtungen erstrecken, wobei jeder Sektor eine radiale Breite (22, 22') hat, die im wesentlichen der radialen Breite (24) der faserigen Struktur entspricht; wobei die Sektoren (20, 20') in einer einander angrenzenden oder überlappenden Beziehung stehen, um eine ringförmige oder schraubenlinienförmige Schicht (26, 41, 70, 80) zu bilden, die eine radiale Breite (22, 22', 45) hat, welche im wesentlichen der radialen Breite (24) der faserigen Struktur entspricht.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung sind aus den abhängigen Ansprüchen 2 bis 22 bzw. 24 und 25 ersichtlich.
Es ist anzunehmen, daß geeignete Reibscheiben-Vorformen aus verschiedenartigen faserigen Bändern hergestellt werden können, die durch Verbindung bogenförmiger oder trapezförmiger Sektoren gebildet werden, welche aus einem multidirektionalen Textilprodukt wie z. B. geflochtenen, gestrickten, gewobenen und ungewobenen Textilprodukten gebildet werden können, wobei die Sektoren, wenn sie schichtweise aufeinander gestapelt oder gewickelt werden, vernadelt werden.
Ein deutlicheres Verständnis dieser und weiterer Merkmale und Vorteile der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls Teil der Beschreibung sind.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Reibscheibe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine entlang der Ebene 2-2 in Fig. 1 angesetzte vergrößerte Schnittansicht zur schematischen Darstellung der Faserverteilung in diesem Bereich.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung der Ausgestaltung bogenförmiger Sektoren, die aus einem Streifen oder Band eines multidirektionalen Textilprodukts geschnitten werden sollen.
Fig. 4 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform einer ringförmigen Filament-Struktur gemäß der Erfindung, die aus einem schraubenförmigen Band gebildet ist, das aus verbundenen bogenförmigen Sektoren eines multidirektionalen Textilprodukts erzeugt wurde.
Fig. 5 zeigt eine Draufsicht zur Darstellung der Ausgestaltung bogenförmiger Sektoren, die aus einem großen Streifen eines multidirektionalen Textilprodukts geschnitten werden sollen.
Fig. 6 zeigt eine explodierte schematische Ansicht einer Ausführungsform einer ringförmigen Filament-Struktur gemäß der Erfindung, die aus einem Paar schraubenförmiger Bänder gebildet ist.
Fig. 7 zeigt eine explodierte schematische Ansicht eines schraubenförmigen Bandes, das aus zwei miteinander vernadelten Sektoren-Schichten gebildet ist.
Fig. 8 zeigt eine schematische Ansicht eines schraubenförmigen Bandes, das aus miteinander vernadelten, einander umfangsmäßig überlappenden Sektoren gebildet ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

In den nun zu erläuternden Zeichnungen, in denen gleiche oder einander entsprechende Teile in sämtlichen Ansichten durchgehend mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet sind, zeigen Fig. 1 und 2 eine Reibscheibe 10, die einen Stapel 29 übereinanderliegender ringförmiger Schichten 26 aufweist, welche durch eine Verbindung im wesentlichen identischer bogenförmiger Sektoren 20 eines multidirektionalen Textilkörpers aus OPF-Werggarnen 12 gebildet ist, die durch Filamente 15 (Fig. 2), welche durch Vernadelung aus den Schichten 26 herausragen, miteinander vernetzt sind, um eine der Vorform-Scheibe gemäß Fig. 4 ähnliche Vorform-Scheibe zu verfestigen und zu verdichten, wobei das OPF-Material in eine Kohlenstoff-Faser umgesetzt ist und nach der Vernadelung durch einen mittels herkömmlicher CVI- Vorgänge erfolgenden Auftrag einer Kohlenstoffmischung weiter verdichtet wurde. Gemäß weiteren Ausführungsformen kann auf die vernetzten Schichten eine Matrix aus Kohlenstoff, Keramik, einem Vorläufer von Kohlenstoff, einem Vorläufer von Keramik und Mischungen aus diesen aufgetragen sein, um diese vernetzten Schichten zusätzlich miteinander zu verbinden. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 weist jede ringförmige Schicht 26 sechs im wesentlichen identische nebeneinanderliegende bogenförmigen Sektoren 20 auf.
Die Filamente von Werggarnen 12 innerhalb der Scheibe 10 können innerhalb jedes betreffenden bogenförmigen Sektors 20 zwischen den am Innendurchmesser (ID) und den am Außendurchmesser (OD) liegenden zylindrischen Umfangsflächen (14, 16) der Scheibe 10 und deren flachen parallelen Verschleißflächen (17, 18) im wesentlichen aneinanderliegen, mit Ausnahme derjenigen Filamente 15, die durch das zwecks Verbinden der Sektoren erfolgende Vernadeln rechtwinklig zu den Verschleißflächen 17, 18 verlagert worden sind. Generell werden aufgrund der besseren mechanischen Eigenschaften des resultierenden Verbund-Reibscheiben-Produkts Endlos-Fasern (d. h. Filament) gegenüber nicht endlosen Fasern bevorzugt.
Die Sektoren 20, 20' können aus einem schmalen Streifen, z. B. dem Streifen 30 gemäß Fig. 3, oder einer breiten Bahn, z. B. der Bahn 50 gemäß Fig. 5, geschnitten sein und Ende an Ende oder überlappend derart miteinander verbunden sein, daß eine faserige Schicht 26 der gewünschten strukturellen Form gebildet wird, die durch Vernadeln der gestapelten Schichten mit einer anderen faserigen Schicht verbunden werden kann, um eine faserige Vorform, z. B. eine ringförmige Scheiben-Vorform, zu bilden. Alternativ können die Sektoren 20, 20' Ende an Ende oder überlappend derart miteinander verbunden sein, daß ein schraubenförmiges faseriges Band (Fig. 4, 6,7, 8) oder eine ringförmige Schicht (Fig. 1, 2) gebildet wird. Das schraubenförmige Band kann derart ausgebildet sein, daß eine flache, hohle, ringförmige Scheiben-Vorform mit mehreren faserigen Schichten gebildet wird, z. B. die Vorform 40 gemäß Fig. 4. Zwischen den Sektoren 20, 20' oder innerhalb eines aus den Sektoren 20, 20' gebildeten ringförmigen Bandes 41 kann ein zusätzliches schraubenförmiges faseriges Band angeordnet sein, das z. B. durch Kollabieren eines schraubenförmigen hohlen Schlauchgeflechts gemäß der Beschreibung in US-A-5,217,770 von Morris und Liew erzielt wird. Wie in Fig. 6 in unterbrochenen Linien angedeutet, können zwischen einem schraubenförmigen flachen Bandgeflecht 61 schraubenlinienförmige Kurvensegmente 62 angeordnet sein, die aus Ende an Ende oder überlappend verbundenen Sektoren 20 gebildet sind. Das geflochtene schraubenförmige Band 61 selbst kann ein oder mehrere seitlich zueinander parallele Geflechte aufweisen, die einander teilweise überlappen können.
Das Faservolumen, d. h. die Fasermenge pro Volumeneinheit, die normalerweise als Prozentanteil ausgedrückt wird - wobei null Prozent bedeutet, daß keine Faser vorhanden ist, und einhundert Prozent bedeuten, daß ausschließlich Faser vorhanden ist - ist im wesentlichen für jeden Sektor und somit für sämtliche ausschließlich aus derartigen Sektoren gebildeten Vorformen oder Scheiben gleich. Hingegen ist bei Vorformen und Scheiben, die aus vernadelten gestapelten Schichten gekrümmten geflochtenen Filamentmaterials gebildet sind, welche durch Krümmen eines geradlinigen Geflechts erzeugt wurden, das Faservolumen an dem Innenumfang 14 der Scheibe 10 und an dem Außenumfang 16 der Scheibe 10 größer als im Rest der Scheibe 10. Diese Abweichung des Faservolumens ist ein natürliches Ergebnis des Formens eines ansonsten gleichförmigen gradlinigen Schlauchgeflechts zu einem flachgelegten Ring- oder Schraubenkörper. Diese natürlich auftretende Abweichung des Faservolumens, die beim Biegen eines gekrümmten Geflechts aus einem geradlinigen Geflecht auftritt, kann durch Techniken gemäß US-A-5,217,770 von Morris und Liew minimiert werden.
Gemäß Fig. 3 werden die Sektoren 20, die eine radiale Breite 22 haben, aus einem geradlinigen Geflecht 30 geschnitten, das eine Breite 35 hat.
Da das Geflecht 30 ein multidirektionaler Textilkörper ist, ist im Gegensatz zu einem unidirektionalen Textilkörper, wie er z. B. in den genannten Patenten von Lawton et al. beschrieben ist, die relative Ausrichtung benachbarter Sektoren nicht kritisch. Die Enden einander benachbarter Sektoren 20 können derart nebeneinanderliegen, wie sie ausgelegt sind und aus dem Geflecht wie z. B. dem Geflecht 30 gemäß Fig. 3 geschnitten sind, oder sie können gemäß Fig. 5 einen tridirektionaien kreuzgelegten Textilkörper 50 bilden. Wie die Figur zeigt, wird im Vergleich mit bekannten Verfahren, einschließlich des in den oben erwähnten Patenten von Lawton et al. gezeigten und beschriebenen Verfahrens, nur wenig Ausschuß erzeugt. Benachbarte Sektoren 20 können um 180 Grad relativ zueinander ausgelegt werden. Es ist auch möglich, einfach den multidirektionalen Textilkörper-Streifen in trapezförmige Sektoren 20' mit einer radialen Breite 22' zu schneiden, die nach dem Zusammenfügen zu einer ringförmigen Vorform oder sogar nach der Verkohlung oder Verdichtung der Vorform nachgeschnitten werden können. Das Geflecht 30 gemäß der in Figur, 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform wird durch Zusammenfalten oder Flachlegen eines geradlinigen Schlauchgeflechts erzeugt. Zusätzlich zu den geflechtbildenden Teilen 31, die sich relativ zu der Längsrichtung des Geflechts 30 schraubenförmig erstrecken, wird während der Bildung des Geflechtes ein System aus länglichen Teilen 34, die sich in der Längsrichtung des Geflechts erstrecken, in das Geflecht eingeführt, während es gebildet wird. Diese Längsteile 34 können als "Unidirektionalen" bezeichnet werden. Diese Unidirektionalen 34 verbessern die dimensionale Stabilität sowie die Zugfestigkeit, die Druckfestigkeit und die Druckmoduln, und das Faservolumen des tridirektionalen Textilkörpers. Die Unidirektionalen 34 werden aus stationären Führungsösen in der Flechtmaschine derart eingeführt, daß die Unidirektionalen geradlinig (ohne Krimpen) parallel zu der Flecht- Achse 33 (Längsachse des Geflechts) liegen, während die von der Flechtmaschine eingeführten schraubenförmigen Geflechtteile 31 während der Bildung des geflochtenen Textilkörpers über und unter den Unidirektionalen durchlaufen. Ein geradliniges Geflecht 30 hat typischerweise eine größere laterale Stabilität als das unidirektionale "Gewebe" von Lawton et al. Das geradlinige Geflecht 30 kann, bevor Sektoren 20 aus ihm herausgeschnitten werden, vernadelt werden, um dem Geflecht selbst und den aus diesem zu schneidenden Sektoren eine noch größere dimensionale Stabilität zu geben.
Indem einige der Geflechtteile und/oder Unidirektionalen aus anderen Materialien gebildet werden, als für den Rest der das Geflecht bildenden Teile verwendet werden, können mechanische und sonstige Eigenschaften, z. B. die Vibrationsdämpfung, der vernadelten und verdichteten Struktur verbessert werden. Derartige Materialien können andere Fasern auf Kohlenstoffbasis und/oder Keramikbasis umfassen. Die Geflechtteile und/oder die Unidirektionalen können aus Stapelfasern gebildet sein.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 weist die Vorform-Scheibe 40 eine oder mehrere schraubenförmige Windungen 43 auf, die symmetrisch um die Achse 44 eines faserigen Bandes 41 verlaufen, das zuvor, z. B. durch Vernähen mit einem Faden 42, aus Ende-an-Ende verbundenen bogenförmigen Sektoren 20 gebildet worden ist. Die radiale Breite des Bandes 41 entspricht generell dem radialen Abstand 24 zwischen dem Innenumfang 14 und dem Außenumfang 16 des flachen Ringkörpers. Der eingeschlossene Winkel jedes Sektors 20 ist derart vorgesehen, daß die radialen Verbindungen 45 benachbarter Schichten, die jeweils aus ansonsten identischen Sektoren gebildet sind, nicht ausgerichtet sind, z. B. 67 Grad betragen. Die schraubenförmigen Windungen 43 des Bandes 41 sind vernadelt, um sie miteinander zu verbinden. Wenn die Vorform-Scheibe 40 fertiggestellt ist, gleicht sie vom Aussehen her demjenigen der Reibscheibe 10 gemäß Fig. 1. Es können eines oder mehrere (in Fig. 4 nicht gezeugte) zusätzliche gewickelte Bänder gleicher oder anderer Ausgestaltung, z. B. Bänder aus schraubenlinienförmigem Endlos-Geflecht derart zwischen dem faserigen Band 41 angeordnet sein, daß eine flache, hohle ringförmige Struktur mit mehreren zwischeneinander liegenden Filament-Schichten gebildet wird. Die Schichten werden durch Vernadelung miteinander verbunden, wodurch Filamente relativ zu den Flächen der Schichten rechtwinklig verschoben werden, um die Schichten zu einer Einheit zu vernetzen. Die Längsachse 46 einer der Gruppen von Filamenten 12 in jedem Sektor 20 ist relativ zu dem Bogen jedes jeweiligen Sektors sehnenartig und relativ zu der ringförmigen Struktur 40 tangential angeordnet. In Fig. 4 ist ferner durch unterbrochene Linien der trapezförmige Sektor 20' gezeigt, der nach der Herstellung des Bandes 41 oder der Vorform-Scheibe 40 zu der Bogenform des Sektors 20 nachgeschnitten werden kann.
Fig. 5 zeigt eine Bahn oder einen Streifen eines multidirektionalen Textilkörpers am Beispiel eines kreuzgelegten Textilkörpers 50. Der Textilkörper 50 wird in bekannter Weise gebildet, indem unidirektionale Bahnen aus Seite-an-Seite angeordneten Filamenten miteinander vernadelt werden, wobei die Bahnen derart übereinandergelegt werden, daß die Filamente jeder den Textilkörper bildenden unidirektionalen Bahn sämtliche anderen den Textilkörper bildenden unidirektionalen Bahnen unter einem Winkel schneiden. Bei der gezeigten bevorzugten Ausführungsform weist der Textilkörper 50 drei Schichten unidirektionaler Bahnen auf, und der Schneidwinkel der Filamente jeder Bahn beträgt ungefähr sechzig Grad relativ zu jeder anderen den Textilkörper 50 bildenden Bahn. Ferner besteht die Möglichkeit, einen geeigneten Textilkörper mittels einander schneidender Schichten zu bilden, von denen eine Schicht parallelisierte Stapelfasern aus einer Kardiermaschine aufweist. Eine derartige kardierte Schicht kann aus Ausschußfaser gebildet werden.
Gemäß Fig. 6 wird eine Vorform 60 mit einer Symmetrieachse 66 aus zwei schraubenförmig gewickelten Bändern 61, 62 unterschiedlicher Ausgestaltung gebildet. Windungen 61 eines Bandes aus schraubenförmigem Endlos-Geflecht können zwischen Windungen 62 eines aus Sektoren 20 gebildeten faserigen Bandes angeordnet werden, um eine flache, hohle ringförmige Struktur mit mehreren zwischeneinanderliegenden Filament-Schichten zu bilden. Die Bandschichten können durch Vernadeln miteinander verbunden werden, wodurch Filamente rechtwinklig zu den Flächen der Schichten verlagert werden, um die Schichten zu einer Einheit zu vernetzen.
Gemäß Fig. 4 wird das faserige Band 41 gebildet, indem die radialen Verbindungen 45 einander anliegender, umfangsmäßig beabstandeter Enden der benachbarten Sektoren 20 mittels Faden 42 zusammengenäht werden, bevor die gestapelten Schichten vernadelt werden. Dies macht es möglich, mehrere Ende-an-Ende aneinander anliegende bogenförmige Sektoren 20 als ein einziges schraubenlinienförmiges Bandteil 41 zu handhaben, das in einen Drehvernadelungswebstuhl des Typs eingeführt werden kann, der in DE- A-29 11 762 von Dilo oder WO-A-93/15250 von Lawton und Smith beschrieben ist. Selbst bei Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Beschreibung von WO-A-93/15250 von Lawton und Smith verhindert ein im voraus durchgeführtes Nähen eine Trennung der einander anliegenden Enden während der Vernadelung.
Alternativ kann gemäß Fig. 7 ein z. B. gemäß dem Band 70 ausgebildetes schraubenförmiges Band erzeugt werden, indem Sektoren aus faserigem Material 70 symmetrisch um eine Symmetrieachse 76 herum in Form einer ersten oder unteren Schicht 71 Ende-an-Ende anliegender Sektoren angeordnet werden und darauf eine zweite oder obere Schicht 72 aus Ende-an-Ende anliegenden Sektoren gelegt wird, wobei die Enden der Sektoren jeder Schicht in der Längenrichtung des Bandes relativ zu denjenigen der anderen Schicht versetzt oder verlagert werden, und ein Vernadeln zwecks Verbinden der beiden Schichten 71, 72 durch Filamente vorgenommen wird, die aus den Schichten heraus abstehen und sich generell rechtwinklig zu den Flächen der Schichten erstrecken. Wie die Figur zeigt, können die beiden Schichten 71, 72 der Sektoren 20, die jeweils aus einer vernadelten unidirektionalen Filament-Schicht gebildet sind - wobei die Sektoren der zweiten Schicht 72 derart gewählt und angeordnet sind, daß die Filamente in der zweiten Schicht relativ zu der Sehnenrichtung des jeweiligen Sektors anders ausgerichtet sind als diejenigen in der ersten Schicht 71, wobei z. B. eine erste Schicht mit sehnenartig angeordneten Filamenten und eine zweite Schicht mit radial angeordneten Filamenten vorhanden ist - durch Vernadeln zu einem schraubenförmigen Band 70 miteinander verbunden werden. Eine Vorform kann durch Vernadeln gestapelter Windungen oder Schichten von Band 70 erzeugt werden.
Alternativ kann gemäß Fig. 8 ein schraubenlinienförmiges Band wie z. B. das Band 80 gebildet werden, indem Sektoren 81 faserigen Materials in teilweise überlappender Beziehung zu gegenüberliegenden Enden gegenüberliegender Flächen 82, 83 des Bandes angeordnet werden und vernadelt werden, um die Sektoren 81 zu verbinden. Bei dieser Ausführungsform ist wie gezeigt auch eine Verwendung von Sektoren möglich, die aus einer vernadelten unidirektionalen Filament-Schicht gebildet sind, wobei die sequentiell benachbarten Sektoren derart gewählt und angeordnet werden, daß die Filamente in den sequentiell einander benachbarten Sektoren relativ zu der Sehnenrichtung der jeweiligen sequentiell benachbarten Sektoren unterschiedlich ausgerichtet werden. Eine Vorform kann durch Vernadeln gestapelter Windungen oder Schichten von Band 80 erzeugt werden.
Ein geeignetes geradliniges Geflecht vom Typ des Geflechts 30 gemäß Fig. 3 kann aus mehreren Werggarnen 12, z. B. 12k-OPF-Werggarn, auf einer (nicht gezeigten) herkömmlichen Maschine zur Bildung eines Schlauchgeflechts erzeugt werden. Eine vereinfachte Version einer herkömmlichen Flechtmaschine vom Maypole-Typ und ihre Arbeitsweise sind in US-A-3,007,497 von Shobert gezeigt. Eine hervorragend geeignete Flechtmaschine mit 144 Trägern und 72 unidirektionalen Positionen ist erhältlich von W. STEEGER GmbH & Co., Wuppertal, Deutschland.
Eine Art der Beschreibung des Charakters eines Geflechts besteht in der Angabe von Schußfäden/2,54 cm (Schußfäden/Inch; PPI) Bei einem geradlinigen kollabierten Schlauchgeflecht, das aus 12k-Werggarnen von OPF und im flachgelegten Zustand eine Nennbreite von 17,78 cm (sieben Inch) hat, weist das Geflecht 2,5 bis 5 Schußfäden/2,54 cm (PPI) auf. Der PPI-Wert ist eine komplexe Funktion der Geschwindigkeit der Flechtmaschine, der Auszugsrate des faserigen Materials, des Auszugswinkels und der Breite des Geflechts und wird empirisch bestimmt. Fünf PPI bedeutet, daß pro 2,54 cm (ein Inch) der Maschinenrichtungsbewegung fünf Überkreuzungen der gerade geflochtenen Teile auftreten. Der PPI-Wert wird prakitischerweise von Hand bestimmt, da die Flechtvorrichtung empirisch eingestellt wird.
Wie bereits erwähnt, kann ein fakultatives zusätzliches gekrümmtes Geflecht vom Typ des in Fig. 6 gezeigten gekrümmten Geflechts 51 unter gegenseitiger Zwischenlage mit aus Sektoren gebildeten Schichten gebildet werden. Ein gekrümmtes Geflecht kann präzise durch eine Maschine gebildet werden, statt dies von Hand durchzuführen, wie zuvor gemäß US-A-5,217,770 von Morris et al. üblich war. Die entsprechende Apparatur und die Herstellung eines gekrümmten flachgelegten Schlauchgeflechts ist beschrieben in USSN 08/149,854, eingereicht am 10. November 1993 unter dem Titel CURVED BRAID APPARATUS, nun US-A-5,417,138.
Eine oder mehrere Schichten faseriger Sektoren 2CI werden durch Vernadelung miteinander oder durch Vernadelung einer oder mehreren anderen Faserschichten, die auf die Sektoren gelegt sind, verbunden. Vorzugsweise werden die bogenförmigen Sektoren 20 zu einer einheitlichen Vorform-Struktur vernadelt, während sie kontinuierlich einem drehenden Support zugeführt werden. Dazu kann ein Drehvernadelungswebstuhl gemäß der Beschreibung in DE-A-29 11 762 von Dilo verwendet werden. Die Vorrichtung von Dilo ist mit einem Vernadelungskopf versehen, dessen effektive Breite der radialen Erstreckung des faserigen Streifens oder der bogenförmigen Sektoren und der gerade zusammengefügten Vorform entspricht. Es kann die in den oben angeführten Patenten von Lawton et al. beschriebene Vorrichtung verwendet werden; jedoch braucht der Dreh-Aufnahmekopf nicht sowohl innere als auch äußere zylindrische Wände aufzuweisen, um ein schraubenförmiges Endlos-Band zu führen, das aus mit ihren Enden verbundenen Sektoren gebildet ist; es reicht bereits eine einzige innere oder äußere zylindrische Wand. Der in DE-A-29 11 762 von Dilo gezeigte Vernadelungskopf kann in kontrollierter Weise programmiert sein, um eine Über-Vernadelung der erzeugten Vorform zu verhindern, die bei der Verwendung einer Vorrichtung gemäß der Beschreibung in den obengenannten Patenten von Lawton et al. an dem Innenumfang der Vorform auftreten kann.
Falls kein Drehwebstuhl zur Verfügung steht, kann die Verbindung einer oder mehrerer Schichten faseriger Sektoren 20 erzielt werden, indem die faserigen Sektoren in einer von Nadeln penetrierbaren Form oder Jiggervorrichtung zu einer oder mehreren übereinanderliegenden Schichten zusammengefügt werden und die Jiggervorrichtung und die zusammenzufügenden Schichten durch einen herkömmlichen Vernadelungswebstuhl hindurch vor- und zurückbewegt werden. Dieses Verfahren ist in den obengenannten Patenten von Lawton et al. und in den US-A-5,217,770 von Morris und Liew genauer beschrieben. Die Verwendung einer derartigen Jiggervorrichtung ist weniger wünschenswert als die Verwendung eines Vernadelungs-Webstuhls, da die faserigen bogenförmigen Sektoren nicht kontinuierlich in die Jiggervorrichtung eingeführt werden können, während diese durch einen herkömmlichen changierenden Venadelungs-Webstuhl des in US-A- 4,790,052 von Olry beschriebenen Typs hindurch hin- und herbewegt wird.
Die resultierende vernadelte Struktur kann anschließend in herkömmlicher Weise einer CVD-Verdichtung unterzogen werden, um eine äußerlich der Reibscheibe 10 gemäß Fig. 1 ähnliche Reibscheibe zu bilden, die eine mittlere Dichte oder Masse-Dichte von ungefähr 1,8 cm³ hat. In der hier vorliegenden Verwendung wird die "Dichte" bestimmt durch Wiegen einer Probe mit bekannten Abmessungen, wie sie z. B. durch Maschinieren von dem interessierenden Bereich einer größeren Probe erzielt wird, und wird ausgedrückt als Gewicht pro Volumeneinheit, z. B. g/cm³.
Mehrere derartige gemäß der Erfindung hergestellte verdichtete Scheiben können in herkömmlicher Weise derart maschiniert und zusammengefügt werden, daß eine Mehrscheibenbremse gebildet wird, die der in US-A-4,018,482; 4,878,563 oder 4,613,017 gezeigten und beschriebenen Bremse gleicht.
Bei der Herstellung von Garnen, die zu dem Textilkörper bzw. den Textilkörpern verarbeitet werden, welche zur Herstellung geformter Filament-Strukturen gemäß der Erfindung verwendbar sind, können recycelte oder frische OFF-Stapelfaser verwendet werden.
Vorzugsweise liegen die Werggarne als PAN-Faser in ihrem oxidierten Zustand (OPF) vor, wenn sie einem der hier beschriebenen Textilverfahren ausgesetzt werden. Obwohl es möglich ist, geeignete Vorform-Scheiben aus PAN-Rohfaser zu bilden und diese Vorformen anschließend in einem Batch-Verfahren zu oxidieren, also im Unterschied zu dem bei der Herstellung oxidierter PAN-Faser angewandten Verfahren des fortlaufenden Oxidierens, wird dies nicht als der ökonomisch beste Ansatz angesehen, insbesondere weil die PAN- Faser vor dem Oxidieren weder die gewünschte hohe Dichte hat noch in der Lage ist, die hohen Temperaturen des Ofen-Zyklus auszuhalten, deren Anwendung nach der Bildung der Vorform-Scheibe erwünscht ist.
Obwohl die Erfindung im Zusammenhang mit der Verwendung von Werggarn beschrieben wurde, liegt es auch im Ermessen der Erfindung, für jedes beliebige der Geflecht-Teile und jedes beliebige der Multidirektionalen anstelle von Werggarn Garne aus Endlosfaser oder Stapelfasern zu verwenden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer mehrschichtigen ringförmigen faserigen Struktur (10, 40), die einen Radius und eine Dicke aufweist, mit den Schritten: Bildung eines multidirektionalen Textilproduktes (30, 50), das Filamente (12) aufweist, die sich in mindestens zwei Richtungen erstrecken; Schneiden bogenförmiger oder trapezförmiger Sektoren (20, 20') einer Ringform aus dem multidirektionalen Textilprodukt, wobei jeder Sektor eine radiale Breite (22, 22') hat, die im wesentlichen der radialen Breite (24) der zu bildenden faserigen Struktur entspricht; Aneinanderlegen der Sektoren (20, 20') zur Bildung einer ringförmigen Schicht (26), die eine radiale Breite (22, 22') hat, die im wesentlichen der radialen Breite (24) der zu bildenden faserigen Struktur entspricht; Bilden eines Stapels (29) aus derart gebildeten Schichten (26) faserigen Materials, wobei eine Schicht über der anderen angeordnet wird; und Vernadeln der gestapelten Schichten (26), um eine Vernetzung der Schichten (26) durch Filamente (15) zu erzeugen, die aus den Schichten (26) herausragen und sich in einer Richtung erstrecken, die im wesentlichen senkrecht zu den Stirnseiten (17, 18) der Schichten (26) verläuft.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin das multidirektionale Textilprodukt (30, 50) Filamente (12) aufweist, die sich in drei Richtungen erstrecken, welche im wesentlichen parallel zu der durch das Textilprodukt definierten Ebene verlaufen.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die Längsachse (46) eines Filaments der Gruppen von Filamenten (12) in jedem Sektor in bezug auf die ringförmige Struktur (10, 40) tangential angeordnet ist.

4. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin die Längsachse (46) eines Filaments der Gruppen von Filamenten in jedem Sektor (20) in bezug auf den Bogen des Sektors sehnenförmig angeordnet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin sämtliche Sektoren (20) im wesentlichen identisch sind.

6. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Enden der eine ringförmige Schicht (26) bildenden Sektoren (20) in bezug auf die Enden der Sektoren, welche eine unmittelbar benachbarte Schicht (26) bilden, in Umfangsrichtung gegeneinander versetzt sind.

7. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Bilden der Sektoren (20, 20') durch Schneiden aus einem geflochtenen Textilprodukt (30).

8. Verfahren nach Anspruch 7, ferner mit der Bildung eines flachgelegten, geraden, rohrförmigen Geflechts (30) mit unidirektionalen Strukturen (34), wobei das Geflecht eine Breite (35) hat, die im wesentlichen der radialen Breite (22, 22') der zu bildenden Sektoren (20, 20') entspricht.

9. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner mit der Bildung eines schraubenlinienförmigen Bandes (41) durch Ende-an-Ende-Verbinden von Sektoren (20, 20'), die aus einem der geflochtenen (30) und gekreuzt übereinanderliegenden vernadelten Textilprodukte (50) ausgeschnitten wurden, und Vernadeln von gestapelten Windungen (43) des Bandes.

10. Verfahren gemäß Anspruch 9, worin die das Band (41) bildenden Sektoren (20, 21) durch Nähen (42) Ende-an-Ende verbunden werden.

11. Verfahren gemäß Anspruch 1, ferner mit der Bildung eines multidirektionalen Textilprodukts in Form eines schraubenlinienförmigen Bandes (70) durch Verbinden einer ersten Schicht (71) von aneinanderstoßenden Sektoren (20), die aus faserigem Material geschnitten sind, das aus der Gruppe gewählt ist, die eine vernadelte Schicht von unidirektionalen Filamenten, geflochtene Textilprodukte und gekreuzt übereinanderliegende vernadelte Textilprodukte enthält, mit einer zweiten Schicht (72) von aneinanderstoßenden Sektoren (20), die aus faserigem Material geschnitten sind, das aus der Gruppe gewählt ist, die eine vernadelte Schicht von unidirektionalen Filamenten, geflochtene Textilprodukte und gekreuzt übereinanderliegende vernadelte Textilprodukte enthält, durch Vernadelung der das Band (70) bildenden ersten und zweiten Schichten (71, 72) und Vernadelung gestapelter Windungen des Bandes.

12. Verfahren nach Anspruch 11, worin das Band (70) durch Vernadelung zweier koextensiver Schichten (71, 72) gebildet wird, die jeweils aus Sektoren (20) gebildet werden, wobei die durch die angrenzenden Enden der ersten Schicht (71) gebildeten Verbindungen in bezug auf die Verbindungen versetzt angeordnet sind, die durch die angrenzenden Enden der Sektoren der zweiten Schicht (72) gebildet werden.

13. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin ferner das multidirektionale Textilprodukt in Form eines schraubenlinienförmigen Bandes (80) gebildet wird, indem Sektoren (81), die aus faserigem Material geschnitten sind, das aus der Gruppe gewählt ist, die eine vernadelte Schicht von unidirektionalen Filamenten, geflochtene Textilprodukte und gekreuzt übereinanderliegende vernadelte Textilprodukte enthält, in einer partiell überlappenden Beziehung zu den gegenüberliegenden Enden jedes Sektors (81) an gegenüberliegenden Stirnseiten (82, 83) des Bandes (80) angeordnet werden, die das Band (80) bildenden angeordneten Sektoren (81) vernadelt werden und gestapelte Windungen des Bandes (80) vernadelt werden.

14. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin ferner die Sektoren (20, 20') durch Schneiden aus einem gekreuzt übereinanderverlaufenden vernadelten Textilprodukt (50) gebildet werden, das durch Vernadelung unidirektionaler Bahnen nebeneinander angeordneter Filamente gebildet wird, wobei die Bahnen derart übereinandergelegt werden, daß die Filamente jeder das Textilprodukt bildenden, unidirektionalen Bahn jede andere das Textilprodukt bildende, unidirektionale Bahn unter einem Winkel kreuzen.

15. Verfahren nach Anspruch 14, worin der Kreuzungswinkel der Filamente jeder Bahn in bezug auf jede andere das gekreuzt übereinanderverlaufende vernadelte Textilprodukt bildenden Bahn ungefähr 60 Grad beträgt.

16. Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit dem Schritt des Stapelns mindestens einer Schicht (62), die aus bogenförmigen Sektoren (20) gebildet wird, welche aus einem multidirektionalen Textilprodukt mit einer zusätzlichen faserigen Schicht (61) gebildet werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, worin die zusätzliche faserige Schicht (61) aus geflochtenem Band gebildet wird.

18. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ferner ein flacher Hohlring (40) durch schraubenlinienförmiges Wickeln eines faserigen Bandes (41) gebildet wird, das aus bogenförmigen oder trapezförmigen Sektoren (20, 20') gebildet ist, die aneinanderstoßend zusammengefügt sind, wobei die radiale Breite (45) des Bandes im wesentlichen dem radialen Abstand (24) zwischen dem Innenumfang (14) und dem Außenumfang (16) des flachen Rings entspricht.

19. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Sektoren aus der Gruppe gebildet werden, die PAN-Fasern einschließlich OPF, Kohlenstoff- Fasern, Graphitfasern, Keramikfasern, Vorstufen von Kohlenstoff- Fasern und Vorstufen von Keramikfasern und Mischungen derselben enthält.

20. Verfahren nach Anspruch 1, worin ferner die vernetzten Schichten durch eine Matrix gebildet werden, die aus der Gruppe gewählt ist, welche Kohlenstoff, Keramik, eine Kohlenstoff-Vorstufe, eine Keramik-Vorstufe und Mischungen derselben enthält.

21. Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem ferner die Sektoren (20) durch Schneiden aus einem geraden, geflochtenen, filamentartigen Band (30) mit einer Breite (35) gebildet werden, die im wesentlichen der Breite (22) der zu bildenden Sektoren (20) entspricht, und mindestens eine filamentartige Schicht (61) über der ringförmigen Schicht (26) angeordnet wird und die gestapelten Schichten (20, 61) vernadelt werden, um eine Vernetzung der Schichten (26, 61) durch Filamente (15) zu erzeugen, die aus den Schichten (26, 61) herausragen und sich in einer Richtung erstrecken, die im wesentlichen senkrecht zu den Stirnseiten (17, 18) der Schichten (26, 61) verläuft.

22. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, worin die mehrschichtige ringförmige faserige Struktur ein flacher Ring ist, der einen Innenumfang (14) und einen Außenumfang (16) hat.

23. Flache ringförmige mehrschichtige faserige Struktur (10, 40, 60, 70, 80) mit einem Radius und einer Dicke, wobei die Struktur einen Stapel (29) übereinander angeordneter Schichten (26) aus faserigem Material aufweist, die durch Filamente (15) miteinander vernetzt sind, welche aus den Schichten (26) derart herausragen, daß sie sich in einer im wesentlichen senkrecht zu den Stirnseiten (17, 18) der Schichten (26) verlaufenden Richtung erstrecken, wobei die Schichten (26) aus bogenförmigen oder trapezartigen Sektoren (20, 20') einer Ringform aus einem multidirektionalen Textilprodukt (30, 50) gebildet sind, das Filamente (12) aufweist, die sich in mindestens zwei Richtungen erstrecken, wobei jeder Sektor eine radiale Breite (20, 22') hat, die im wesentlichen der radialen Breite (24) der faserigen Struktur entspricht; wobei die Sektoren (20, 20') in einer einander angrenzenden oder überlappenden Beziehung stehen, um eine ringförmige oder schraubenlinienförmige Schicht (26, 41, 70, 80) zu bilden, die eine radiale Breite (22, 22',45) hat, welche im wesentlichen der radialen Breite (24) der faserigen Struktur entspricht.

24. Struktur gemäß Anspruch 23, ferner mit einer die vernetzten Schichten verbindenden Matrix, die aus der Gruppe gewählt ist, welche Kohlenstoff, Keramik, eine Kohlenstoff-Vorstufe, eine Keramik-Vorstufe und Mischungen derselben enthält.

25. Struktur gemäß Anspruch 24 in der Form einer Bremsscheibe.