EP3328814A1 - Nassreibmaterial - Google Patents

Nassreibmaterial

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Publication number
EP3328814A1
EP3328814A1 EP16757160.3A EP16757160A EP3328814A1 EP 3328814 A1 EP3328814 A1 EP 3328814A1 EP 16757160 A EP16757160 A EP 16757160A EP 3328814 A1 EP3328814 A1 EP 3328814A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
carbon fiber
fiber reinforced
reinforced composite
wet friction
carbonized
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16757160.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Simon SPITKO
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
SGL Carbon SE
Original Assignee
SGL Carbon SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by SGL Carbon SE filed Critical SGL Carbon SE
Publication of EP3328814A1 publication Critical patent/EP3328814A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/71—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents
    • C04B35/78—Ceramic products containing macroscopic reinforcing agents containing non-metallic materials
    • C04B35/80—Fibres, filaments, whiskers, platelets, or the like
    • C04B35/83—Carbon fibres in a carbon matrix
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/626—Preparing or treating the powders individually or as batches ; preparing or treating macroscopic reinforcing agents for ceramic products, e.g. fibres; mechanical aspects section B
    • C04B35/62605—Treating the starting powders individually or as mixtures
    • C04B35/62645—Thermal treatment of powders or mixtures thereof other than sintering
    • C04B35/6267—Pyrolysis, carbonisation or auto-combustion reactions
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D69/00—Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D69/02—Composition of linings ; Methods of manufacturing
    • F16D69/023—Composite materials containing carbon and carbon fibres or fibres made of carbonizable material
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16D—COUPLINGS FOR TRANSMITTING ROTATION; CLUTCHES; BRAKES
    • F16D69/00—Friction linings; Attachment thereof; Selection of coacting friction substances or surfaces
    • F16D69/02—Composition of linings ; Methods of manufacturing
    • F16D69/025—Compositions based on an organic binder
    • F16D69/026—Compositions based on an organic binder containing fibres
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B2235/00—Aspects relating to ceramic starting mixtures or sintered ceramic products
    • C04B2235/02—Composition of constituents of the starting material or of secondary phases of the final product
    • C04B2235/30—Constituents and secondary phases not being of a fibrous nature
    • C04B2235/48—Organic compounds becoming part of a ceramic after heat treatment, e.g. carbonising phenol resins

Definitions

  • the present invention relates to a wet friction material of carbon fiber reinforced composite material and a method for producing the wet friction material.
  • wet friction linings are used in wet friction elements, in which a wet medium, for example oil, serves to dissipate the heat generated by the frictional contact from the friction surfaces of the friction partners.
  • a generic wet friction element is known from US 5 662 993 A, which relates to a friction material made of resin-impregnated fabric, which is woven from carbon fibers.
  • the EP 1 505 310 B1 originating from the applicant of the present application describes a generic wet friction material which has an improved drainage behavior of the wet medium by special structuring of the surface.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastics
  • the object of the present invention is therefore to provide a wet friction material, which is advantageous in terms of friction properties and wear resistance over the known friction materials.
  • the object is achieved in that a CFRP friction lining is specifically and exclusively carbonized on the surface of the friction lining, which is provided for the friction. The carbonization of the CFRP material therefore only takes place up to a certain depth on the friction lining and not consistently through the entire CFRP material.
  • One aspect of the present invention is therefore a wet friction material, comprising a flat carbon fiber reinforced composite material containing at least one textile fabric of carbon fibers embedded in a plastic matrix, characterized in that intended for wet friction surface of the carbon fiber reinforced composite material at least partially from the surface to a defined Depth is carbonized.
  • the surface is up to a depth in the range of 5 ⁇ to 1000 ⁇ , preferably to a depth in the range of 20 ⁇ to 500 ⁇ , more preferably to a depth in the range of 40 ⁇ to 350 ⁇ , Particularly preferably to a depth in the range of 100 ⁇ to 200 ⁇ carbonized, this Depth is less than the thickness of the flat carbon fiber reinforced composite as a whole.
  • the carbonized surface is so thin that only the uppermost carbon fibers are exposed by the plastic matrix, which corresponds approximately to a depth of 5-15 ⁇ . The deeper the carbonization is present, or the thicker the carbonized layer on the surface of the wet friction element, the better the friction properties.
  • the thickness of the sheet-like carbon fiber reinforced composite material as a whole may vary depending on the application of the wet friction material and is therefore not particularly limited.
  • the sheet-like carbon fiber reinforced composite material has a thickness in the range of 0.2 to 5 mm, more preferably 0.25 to 2 mm and still more preferably 0.3 to 1 mm.
  • the plastic matrix is not carbonized. This ensures a sufficient stability of the material. More preferably, the thickness of the non-carbonized layer, i. the layer in which the flat carbon fiber reinforced composite material is still in CFK state, at least 0.2 mm and more preferably 0.3 mm.
  • 10-100%, preferably 20-100%, more preferably 30-90% of the surface is carbonized.
  • a surface only carbonized surface is advantageous if it depends increasingly on stability and wear resistance in the particular application of Nassreibmaterials, such as in particularly stressed friction linings.
  • the carbonized regions may be present in a regular pattern, eg, side by side in strips.
  • the abrasion of the CFC surfaces is distributed uniformly over the entire friction surface, ie also over the areas of the CFRP surface, which leads to improved friction properties overall.
  • the textile fabric comprises a fabric of carbon fibers.
  • a fabric is characterized in particular by the fact that, due to its structure, it can form channels on the surface of the wet friction material, whereby the outflow of the wet medium can be controlled.
  • this effect can be adjusted specifically.
  • the plastic matrix comprises at least one plastic selected from the group consisting of hardened
  • Epoxy resin and cured phenolic resin with phenolic resin being preferred.
  • the advantage of this is that in particular phenolic resin has a high carbon residue after carbonization. It has been found that a denser carbon matrix improves the friction properties, in particular increases the coefficient of friction.
  • Another aspect of the present invention is a process for producing the wet friction material of the invention. All the features mentioned in relation to the first aspect of the present invention can be combined according to the method explained below, and vice versa.
  • the process according to the invention relates to a process for producing a wet friction material, comprising the following steps: a) providing a textile fabric of carbon fibers,
  • step a) in the case of a partially cured carbon fiber reinforced composite, complete curing of the plastic precursor.
  • the manner of providing according to step a) is not particularly limited.
  • the fabric can be made directly from carbon fibers. It is also possible to make the sheet from precursor fibers of carbon fibers, such as, but not limited to, polyacrylonitrile fibers or stabilized (oxidized) polyacrylonitrile fibers.
  • step b) epoxy resins or phenolic resins are preferably used.
  • the advantages of this are already explained above.
  • the impregnation process can be carried out in principle according to all known impregnation.
  • the textile fabric is completely impregnated in order to increase the homogeneity and stability of the subsequent composite material as much as possible.
  • the textile fabric impregnated with the plastic precursor can be completely or partially cured. In the latter case, this gives a prepreg that is easier to form than a fully cured plastic precursor.
  • the carbonation of the surface according to step d) takes place at least partially and to a depth in the range from 5 ⁇ m to 1000 ⁇ m, preferably to a depth in the range from 20 ⁇ m to 500 ⁇ m, more preferably to a depth in the range of 40 ⁇ to 350 ⁇ and particularly preferably to a depth in the range of 100 ⁇ to 200 ⁇ .
  • the corresponding explanations apply to the first aspect of the present invention.
  • the carbonization takes place by means of laser radiation.
  • laser radiation By means of laser radiation, it is possible to carry out a carbonation even of very thin layers only up to a precisely defined depth, since the energy input is very precise, and the carbonization is so fast that a further undesirable carbonization can be prevented by heat distribution in the body to be carbonized. This works surprisingly even with carbon fiber reinforced composites. Because the thermal conductivity of carbon fibers is so high that one would have to assume that the carbonization continues over the entire thickness of the wet friction material. That is not so.
  • the type of laser is not particularly limited. For example, a C0 2 laser can be used.
  • the temperature required for carbonization is usually between 600 ° C and 1000 ° C. In the case of carbonization by means of laser radiation according to the example below, however, the depth of carbonization increases abruptly from a temperature of about 800 ° C. The depth of the carbonization is therefore no longer so well controlled at about this temperature.
  • the temperature required for the carbonization is preferably between 600 ° C. and 780 ° C. Another advantage of this temperature range is that only the matrix carbonizes, but not the carbon fiber is structurally altered.
  • carbonation can also be done by any other suitable method.
  • a carbonization or partial carbonization of the sheet-like carbon fiber reinforced composite material in a conventional carbonization furnace is not according to the invention, since in this case the composite material carbonizes uniformly or evenly over its entire thickness.
  • the advantages of the present invention can not be achieved thereby, unless measures are taken in the furnace that a surface of the sheet-like carbon fiber reinforced composite material is not carbonized. In this case, however, there is no conventional carbonization furnace.
  • carbonization is in the context of the present invention synonymous with the term pyrolysis. It is known to the person skilled in the art that both occur at elevated temperatures. Further preferably, the carbonization takes place in an inert gas atmosphere. This has the advantage that the carbon formed in the carbonization is largely not oxidized and thus attacked.
  • a compacting of the impregnated textile fabric or of the partially cured carbon fiber reinforced composite material under pressure takes place. The compacting is usually achieved by means of mechanical pressing. This pressing step can take place both before and during the at least partial curing of the plastic precursor.
  • the pressing step can take place in any time interval after the impregnation until the carbon-fiber-reinforced composite material has completely hardened. During carbonization, however, there is usually no pressing step for practicality reasons.
  • the embodiment compacting increases the stability of the wet friction material.
  • the at least partially cured carbon fiber reinforced composite material is applied to a substrate.
  • this substrate can be designed differently. It basically acts as a carrier material for a wet friction lining on which the wet friction material according to the invention is to be present in the end product.
  • the wet friction material according to the invention can be used in clutches, such as multi-disc clutches and cone clutches, for example in synchronizer rings.
  • the corresponding substrates are usually made of metal.
  • the application to the substrate can take place at any time after the at least partial curing (step c). However, it is preferred that the application to the substrate takes place only after the carbonization of the surface.
  • the wet friction material is applied to the substrate by means of an adhesive.
  • the compacting takes place before the carbonization and, following the carbonization, the wet friction material is applied to the substrate. This sequence has a number of advantages in handling the material during process control. In addition, if handled with care, the carbonized layer could be damaged if the pressing step takes place only after the carbonization.
  • a woven fabric of carbon fibers having a weight per unit area of 270 g / m 2 and a thickness of 900 ⁇ m was produced.
  • the fabric was impregnated with a phenolic resin system, which was then cured at 150 ° C.
  • the surface was irradiated with the aid of a C0 2 laser with a power of 100 mW and thereby carbonized to a depth of 250 ⁇ .
  • the carbonization depth was checked by a simple scratch test, as the rather brittle, carbonized layer can be easily removed from the underlying CFRP material. The longer a spot of the surface is exposed to the laser radiation, the hotter the surface becomes.
  • the resulting temperatures can be measured simultaneously using infrared technology. The dependence of the carbonization depth on the temperature in this example is given in the following table.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nassreibmaterial, umfassend einen flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoff enthaltend mindestens ein textiles Flächengebilde aus Carbonfasern eingebettet in eine Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass die für eine Nassreibung vorgesehene Oberfläche des carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs zumindest bereichsweise von der Oberfläche bis zu einer definierten Tiefe carbonisiert ist, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Description

Nassreibmaterial
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nassreibmaterial aus carbonfaserverstärktem Verbundwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung des Nassreibmaterials.
Nassreibbeläge, beziehungsweise Nassreibmaterialien, kommen in Nassreibelementen zum Einsatz, bei welchen ein Nassmedium, beispielsweise Öl, zur Abfuhr der durch den Reibungskontakt entstehenden Wärme von den Reiboberflächen der Reibpartner dient. Ein gattungsgemäßes Nassreibelement ist aus der US 5 662 993 A bekannt, die ein Reibmaterial aus harzimprägniertem Gewebe betrifft, welches aus Carbonfasern gewoben ist. Auch die von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung selbst stammende EP 1 505 310 B1 beschreibt ein gattungsgemäßes Nassreibmaterial, welches durch spezielle Strukturierungen der Oberfläche ein verbessertes Abflussverhalten des Nassmediums aufweist.
Nassreibmaterialien aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) zeichnen sich durch ihre hohe Stabilität und ihre durch die Carbonfasern bedingte hohe Wärmeleitfähigkeit aus, insbesondere gegenüber Materialien aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK). Nachteilig an ihnen ist jedoch, dass sie eine hohe Haftreibung aufweisen, die zu einem erhöhten Losbrechmoment führt und die sogenannte Grünschaltbarkeit beeinträchtigen. Versuche der Anmelderin der vorliegenden Erfindung haben gezeigt, dass Nassreibmaterialien aus pyrolysierten Reibbelägen aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (CFC), wie sie in der US 5 895 716 A beschrieben werden, hinsichtlich Haftreibung und weiteren Reibeigenschaften vorteilhaft gegenüber CFK-Reibmaterialien sind. Allerdings sind diese wiederum nachteilig hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit über die Lebensdauer eines Nassreibelements, da das CFC-Material zwar grundsätzlich sehr stabil und eine hohe Steifigkeit besitzt, allerdings führt gerade diese Steifigkeit jedoch auch dazu, dass das Material sehr spröde und brüchig ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Nassreibmaterial bereitzustellen, welches hinsichtlich Reibeigenschaften und Verschleißbeständigkeit vorteilhaft gegenüber den bekannten Reibmaterialien ist. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein CFK-Reibbelag gezielt und ausschließlich an der Oberfläche des Reibbelags, die für die Reibung vorgesehen ist, carbonisiert wird. Die Car- bonisierung des CFK-Material erfolgt daher nur bis zu einer gewissen Tiefe auf dem Reibbelag und nicht durchgängig durch das gesamte CFK-Material. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher ein Nassreibmaterial, umfassend einen flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoff, enthaltend mindestens ein textiles Flächengebilde aus Carbonfasern eingebettet in eine Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass die für eine Nassreibung vorgesehene Oberfläche des carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs zumindest bereichsweise von der Oberfläche bis zu einer definierten Tiefe carbonisiert ist.
Dadurch, dass unterhalb der carbonisierten Oberfläche des Nassreibmaterials, das heißt in Richtung von der für die Reibung vorgesehene Oberfläche weg weisend, das ursprüngliche CFK-Material noch vorhanden ist, verliert das Nassreibmaterial praktisch nichts an seiner Ver- Schleißbeständigkeit im Normalbetrieb, während gleichzeitig die positiven Reibeigenschaften eines CFC-Materials genutzt werden können. Dies war in dieser Form nicht vorhersehbar, da man von einem nachteiligen Einfluss auf die Verschleißbeständigkeit ausgehen musste.
Als das textile Flächengebilde aus Carbonfasern kommen alle bekannten flächigen Textil- strukturen in Betracht. Neben den in den eingangs zitierten Veröffentlichungen beschriebenen Geweben, können auch Gewirke, Geflechte, Gestricke, aber auch Vlies und Papier aus Carbonfasern zum Einsatz kommen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche bis zu einer Tiefe im Bereich von 5 μηι bis 1000 μηι, bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 20 μηι bis 500 μηι, weiter bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 40 μηι bis 350 μηι, besonders bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 100 μηι bis 200 μηι carbonisiert ist, wobei diese Tiefe geringer ist als die Dicke des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs insgesamt. Je nach Anwendung kann es ausreichend sein, dass die carbonisierte Oberfläche derart dünn ist, dass lediglich die obersten Carbonfasern von der Kunststoffmatrix freigelegt werden, was in etwa einer Tiefe von 5-15 μηι entspricht. Je tiefer die Carbonisierung vorliegt, beziehungsweise je dicker die carbonisierte Schicht an der Oberfläche des Nassreibelements ist, desto besser werden die Reibeigenschaften. Ab einer Tiefe von etwa 100 μηι, tritt keine signifikante Verbesserung der Reibeigenschaften ein. Um gleichzeitig die Verschleißbeständigkeit zu gewährleisten, muss darauf geachtet werden, dass die Schichtdicke des CFK- Materials ausreichend groß ist. Daher ist eine Tiefe von 100 μηι bis 200 μηι, bis zu welcher die Oberfläche carbonisiert ist, besonders bevorzugt.
Die Dicke des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs insgesamt kann je nach Anwendung des Nassreibmaterials unterschiedlich sein und ist daher nicht besonders eingeschränkt. Bevorzugt weist der flächige carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 5 mm, weiter bevorzugt 0,25 bis 2 mm und noch weiter bevorzugt 0,3 bis 1 mm auf.
Vorzugsweise ist in mindestens 0,1 mm der Dicke des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs die Kunststoffmatrix nicht carbonisiert ist. Dies gewährleistet eine ausrei- chende Stabilität des Materials. Weiter bevorzugt beträgt die Dicke der nicht carbonisierten Schicht, d.h. der Schicht in der der flächige carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff noch im CFK-Zustand ist, mindestens 0,2 mm und noch weiter bevorzugt 0,3 mm.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind 10-100%, bevorzugt 20-100%, weiter bevorzugt 30-90% der Oberfläche carbonisiert. Eine nur bereichsweise carbonisierte Oberfläche ist dann vorteilhaft, wenn es bei der jeweiligen Anwendung des Nassreibmaterials vermehrt auf Stabilität und Verschleißbeständigkeit ankommt, etwa bei besonders beanspruchten Reibbelägen. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, können die carbonisierten Bereiche in einem regelmäßigen Muster, z.B. streifenweise nebeneinander, vor- liegen. Hierbei verteilt sich der Abrieb der CFC-Oberflächen gleichmäßig über die gesamte Reibfläche, also auch über die Bereiche der CFK-Oberfläche, was insgesamt zu verbesserten Reibeigenschaften führt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das textile Flächengebilde ein Gewebe aus Carbonfasern. Ein Gewebe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es aufgrund seiner Struktur zur Ausbildung von Kanälen an der Oberfläche des Nassreibmaterials kommen kann, wodurch der Abfluss des Nassmediums gesteuert werden kann. Je nach Art der Gewebebindung, beispielsweise Köperbindung, kann dieser Effekt gezielt eingestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Kunststoff- matrix mindestens einen Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus gehärtetem
Epoxidharz und gehärtetem Phenolharz, wobei Phenolharz bevorzugt ist. Der Vorteil hieran ist, dass insbesondere Phenolharz einen hohen Kohlenstoffrückstand nach der Carbonisierung aufweist. Es wurde gefunden, dass eine dichtere Kohlenstoffmatrix die Reibeigenschaften verbessert, insbesondere den Reibungskoeffizient erhöht.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Nassreibmaterials. Alle im Bezug auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung genannten Merkmale können mit dem im folgenden erläuterten Verfahren entsprechend kombiniert werden und umgekehrt. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Verfah- ren zur Herstellung eines Nassreibmaterials, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines textilen Flächengebildes aus Carbonfasern,
b) Imprägnieren des textilen Flächengebildes mit einem Kunststoffvorläufer,
c) zumindest teilweises Aushärten des Kunststoffvorläufers und Erhalt eines zumindest teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs,
d) Carbonisieren des zumindest teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs auf einer für eine Nassreibung vorgesehenen Oberfläche des carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs und
e) im Falle eines nur teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs, vollständiges Aushärten des Kunststoffvorläufers. Die Art des Bereitstellens gemäß Schritt a) ist nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, kann das textile Flächengebilde direkt aus Carbonfasern hergestellt werden. Es ist auch möglich, das Flächengebilde aus Vorläuferfasern von Carbonfasern herzustellen, wie zum Beispiel, jedoch nicht ausschließlich, Polyacrylnitrilfasern oder stabili- sierte (oxidierte) Polyacrylnitrilfasern.
Als Kunststoffvorläufer in Schritt b) werden bevorzugt Epoxidharze oder Phenolharze verwendet. Die Vorteile hieran sind bereits weiter oben erläutert. Der Imprägniervorgang kann grundsätzlich gemäß allen bekannten Imprägnierverfahren erfolgen. Bevorzugt wird das textile Flächengebilde vollständig imprägniert, um Homogenität und Stabilität des späteren Verbundwerkstoffs möglichst zu erhöhen.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Schritt c) kann das mit dem Kunststoffvorläufer imprägnierte textile Flächengebilde vollständig aber auch nur teilweise Ausgehärtet werden. Im letzteren Fall wird dadurch ein Prepreg erhalten, das leichter formbar ist als bei einem vollständig ausgehärteten Kunststoffvorläufer.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Car- bonisieren der Oberfläche gemäß Schritt d) zumindest bereichsweise und bis zu einer Tiefe im Bereich von 5 μηι bis 1000 μηι, bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 20 μηι bis 500 μηι, weiter bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 40 μηι bis 350 μηι und besonders bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 100 μηι bis 200 μηι. Hierbei gelten die entsprechenden Erläuterungen zum ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugt werden in Schritt d) 10-100%, bevorzugt 30-100%, weiterbevorzugt 40-90% der Oberfläche carbonisiert. Hierbei gelten die entsprechenden Erläuterungen zum ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Car- bonisieren mittels Laserstrahlung. Mittels Laserstrahlung ist es möglich, eine Carbonisierung auch von sehr dünnen Schichten nur bis zu einer genau definierten Tiefe erfolgen zu lassen, da der Energieeintrag sehr präzise ist, und die Carbonisierung derart schnell abläuft, dass eine weitere, unerwünschte Carbonisierung durch Wärmeverteilung im zu carbonisierenden Körper verhindert werden kann. Dies funktioniert überraschenderweise auch bei carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Denn die Wärmeleitfähigkeit von Carbonfasern ist so hoch, dass man davon ausgehen müsste, dass sich die Carbonisierung über die gesamte Dicke des Nassreibmaterials fortsetzt. Dem ist jedoch nicht so. Die Art des Lasers ist dabei nicht besonders eingeschränkt. Es kann beispielsweise ein C02-Laser verwendet werden.
Die für die Carbonisierung erforderliche Temperatur liegt üblicherweise zwischen 600°C und 1000°C. Bei einer Carboniserung mittels Laserstrahlung gemäß dem Beispiel unten, steigt jedoch die Carbonisierungstiefe ab einer Temperatur von etwa 800°C sprunghaft an. Die Tiefe der Carbonisierung ist daher in etwa ab dieser Temperatur nicht mehr so gut zu kontrollieren. Bevorzugt liegt die für die Carbonisierung erforderliche Temperatur dabei zwischen 600°C und 780°C. Ein weiterer Vorteil dieses Temperaturbereiches ist, dass nur die Matrix carbonisiert, nicht jedoch die Carbonfaser strukturell verändert wird.
Die Carbonisierung kann jedoch auch mit jedem anderen geeigneten Verfahren erfolgen. Eine Carbonisierung oder teilweise Carbonisierung des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs in einem üblichen Carbonisierungsofen ist jedoch nicht erfindungsgemäß, da hierbei der Verbundwerkstoff gleichmäßig über seine gesamte Dicke teilweise oder vollständig carbonisiert. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können damit nicht erreicht werden, es sei denn, dass in dem Ofen Maßnahmen dafür getroffen werden, dass eine Oberfläche des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs nicht carbonisiert wird. In diesem Fall liegt jedoch kein üblicher Carbonisierungsofen vor.
Der Begriff Carbonisierung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung gleichbedeutend mit dem Begriff Pyrolyse. Dem Fachmann ist bekannt, dass beides unter erhöhten Temperaturen abläuft. Weiterhin vorzugsweise erfolgt das Carbonisieren in einer Intertgasatmosphäre. Dies hat den Vorteil, dass der bei der Carbonisierung entstehende Kohlenstoff weitgehend nicht oxidiert und damit angegriffen wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zumindest nach dem Schritt b) ein Verdichten des imprägnierten textilen Flächengebildes, beziehungsweise des teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs unter Druck. Das Verdichten wird üblicherweise mittels mechanischen Pressens erreicht. Dieser Press- schritt kann sowohl vor, als auch während des zumindest teilweisen Aushärtens des Kunststoffvorläufers erfolgen. Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass ein bereits an der Oberfläche carbonisiertes Prepreg dem Pressschritt ausgesetzt wird bevor und/oder während der Kunststoffvorläufer vollständig ausgehärtet wird. Im Prinzip kann der Pressschritt in einem beliebigen zeitlichen Abschnitt nach der Imprägnierung erfolgen bis der carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff vollständig ausgehärtet ist. Während der Carbonisierung jedoch, findet aus Praktikabilitätsgründen üblicherweise kein Pressschritt statt. Das ausführungsgemäße Verdichten erhöht die Stabilität des Nassreibmaterials.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zumin- dest teilweise ausgehärtete carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff auf ein Substrat aufgebracht. Je nach Anwendung kann dieses Substrat unterschiedlich ausgestaltet sein. Es fungiert grundsätzlich als Trägermaterial für einen Nassreibbelag auf dem sich das erfindungsgemäße Nassreibmaterial im Endprodukt befinden soll. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, kann das erfindungsgemäße Nassreibmaterial in Kupplungen, wie Lamellenkupp- lungen und Kegelkupplungen, zum Beispiel in Synchronringen, zum Einsatz kommen. Die entsprechenden Substrate sind dabei meist aus Metall. Die Aufbringung auf das Substrat kann zu einem beliebigen Zeitpunkt nach dem zumindest teilweisen Aushärten (Schritt c) erfolgen. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Aufbringung auf das Substrat erst nach der Carbonisierung der Oberfläche erfolgt. Hierdurch werden mögliche Beschädigungen der Verbindung zwischen Reibmaterial und Substrat durch die entstehende erhöhte Temperatur beim Carbonisieren vermieden. Denn aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Carbonfaser, wird die bei der Carbonisierung der Oberfläche entstehende Wärme durch die gesamte Dicke des Reibbelags bis zur Verbindung zwischen Reibmaterial und Substrat geleitet. Die Art der Aufbringung, beziehungsweise der Verbindung ist nicht besonders eingeschränkt. Üblicherweise wird das Nassreibmaterial mittels eines Klebers auf das Substrat aufgebracht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet das Verdichten vor der Carbonisierung statt und im Anschluss an die Carbonisierung wird das Nassreibmaterial auf das Substrat aufgebracht. Diese Reihenfolge hat eine Reihe von Vorteilen in der Handhabung des Materials während der Verfahrensführung. Zudem könnte bei un- vorsichtiger Handhabung die carbonisierte Schicht Schaden nehmen, wenn erst im Anschluss an die Carbonisierung der Pressschritt erfolgt.
Beispiel: Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Nassreibmaterials wurde in einem ersten Schritt ein Gewebe aus Carbonfasern mit einem Flächengewicht von 270 g/m2 und einer Dicke von 900 μηι hergestellt. Das Gewebe wurde mit einem Phenolharzsystem imprägniert, welches anschließend bei 150°C ausgehärtet wurde. Die Oberfläche wurde mit Hilfe eines C02 Lasers mit einer Leistung von 100 mW bestrahlt und dabei bis in eine Tiefe von 250 μηι carbonisiert. Die Carbonisierungstiefe wurde mit Hilfe eines einfachen Kratztests überprüft, da sich die eher spröde, carbonisierte Schicht leicht von dem darunterliegenden CFK-Material abtragen lässt. Je länger eine Stelle der Oberfläche der Laserstrahlung ausgesetzt ist, desto heißer wird die Oberfläche. Die entstehenden Temperaturen können simultan mittels Infrarottechnik gemessen werden. Die Abhängigkeit der Carbonisierungstiefe von der Temperatur in diesem Beispiel ist in nachfolgender Tabelle wiedergegeben.
Kratztiefe (entspricht
Temperatur
Carbonisierungstiefe)
650°C 48 μηι
750°C 103 μηι
850°C 504 μηι

Claims

Patentansprüche
1 . Nassreibmaterial, umfassend einen flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoff enthaltend mindestens ein textiles Flächengebilde aus Carbonfasern eingebettet in eine Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass die für eine Nassreibung vorgesehene Oberfläche des carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs zumindest bereichsweise von der Oberfläche bis zu einer definierten Tiefe carbonisiert ist.
2. Nassreibmaterial nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche bis zu einer Tiefe im Bereich von 5 μηι bis 1000 μηι carbonisiert ist, wobei diese Tiefe geringer ist als die Dicke des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs insgesamt.
3. Nassreibmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der flächige carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 5 mm aufweist.
4. Nassreibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens 0, 1 mm der Dicke des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs die Kunststoffmatrix nicht carbonisiert ist.
5. Nassreibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 10-100% der Oberfläche carbonisiert sind.
6. Nassreibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde ein Gewebe umfasst.
7. Nassreibmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffmatrix mindestens einen Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus gehärtetem Epoxidharz und gehärtetem Phenolharz umfasst.
8. Verfahren zur Herstellung eines Nassreibmaterials, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines textilen Flächengebildes aus Carbonfasern,
b) Imprägnieren des textilen Flächengebildes mit einem Kunststoffvorläufer, c) zumindest teilweises Aushärten des Kunststoffvorläufers und Erhalt eines zumindest teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs, d) Carbonisieren des zumindest teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs auf einer für eine Nassreibung vorgesehenen Oberfläche des carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs und
e) im Falle eines nur teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs, vollständiges Aushärten des Kunststoffvorläufers.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbonisieren der Oberfläche zumindest bereichsweise und bis zu einer Tiefe im Bereich von 5 μηι bis 1000 μηι erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass in
Schritt d) 10-100%, der Oberfläche carbonisiert werden.
1 1 . Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Car bonisieren mittels Laserstrahlung erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Car bonisieren in einer Intertgasatmosphäre erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest nach dem Schritt b) ein Verdichten des imprägnierten textilen Flächengebildes, beziehungsweise des teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs unter Druck umfasst. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest teilweise ausgehärtete carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff auf ein strat aufgebracht wird.
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