WO2023217360A1 - Method for producing a preform, preform, method for forming a composite fibre component and composite fibre component - Google Patents

Method for producing a preform, preform, method for forming a composite fibre component and composite fibre component Download PDF

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Florian REICHERT
Tim KROOSS
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Schunk Kohlenstofftechnik Gmbh
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    • C04B2235/614Gas infiltration of green bodies or pre-forms

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications and a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications, wherein a stack is formed from at least two fiber layers made of carbon fibers.
  • the invention further relates to a method for producing a fiber composite component for high-temperature applications and a fiber composite component for high-temperature applications.
  • a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications by means of a wet winding process, whereby, as a result of impregnation with a resin, wet carbon fibers are used to form a stack of at least two fiber layers formed from the carbon fibers around a shaped body or winding mandrel Winding device can be wound.
  • the carbon fibers are, for example, in the form of a fiber-matrix semi-finished product pre-impregnated with a resin, such as a prepreg, or in the form of a dry one means resin-free, fiber bundles, such as a roving, which is passed through a resin bath before winding.
  • a phenolic resin is regularly used as the matrix-forming resin.
  • the use of the resin makes it possible to connect the fiber layers to one another and thus prefix a defined geometric shape of the stack determined by the molded body.
  • the stack or preform is then removed from the mold core while maintaining the shape and, after final hardening of the resin, is then further processed into a fiber composite component, with the preform first being pyrolyzed or carnonized to form a carbon matrix or carbon grid and then graphitized and subsequently infiltrated with pyrolytic carbon in order to obtain a component made of carbon fiber reinforced carbon (CFC) that is particularly suitable for high temperature applications.
  • CFC carbon fiber reinforced carbon
  • the disadvantage of this manufacturing process is that the phenolic resin that is regularly used is harmful to health and its use therefore requires cost-intensive increased protective measures for workers at a manufacturing site.
  • solvents that are usually used to remove resin residues contaminating production facilities are generally not beneficial to the health of workers and therefore require increased protective measures.
  • the additional process steps of hardening the resin as well as pyrolysis or carbonization and graphitization are required, which are not least highly energy-intensive and sometimes also time-consuming.
  • a preform is first formed by forming a random fiber or short fiber fleece semi-finished product made of carbon fibers, which is infiltrated with pyrolytic carbon, in particular subsequently, to form the fiber composite component.
  • the disadvantage of this manufacturing process is that the preform formed from the random fibers or short fibers by forming the random fiber or short fiber nonwoven semi-finished product has a comparatively high porosity, so that when the preform is infiltrated with the pyrolytic carbon, a large number of pores are formed Fiber structure of the preform must be filled with the pyrolytic carbon.
  • a fiber composite component produced in this way has a comparatively shorter service life or service life due to the comparatively poorer mechanical properties of the random fibers or short fibers used to produce the preform.
  • the present invention is therefore based on the object of proposing a method for producing a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications and a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications as well as a method for producing a fiber composite component for high-temperature applications and a fiber composite component for high-temperature applications, which one cost-optimized production of such a preform or fiber composite component is possible or can be produced comparatively inexpensively and is improved in terms of service life.
  • This object is achieved by a method for producing a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications with the features of claim 1 and a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications with the features of claim 16 and a method for Manufacture of a fiber composite component for high-temperature applications with the features of claim 14 and a fiber composite component for high-temperature applications with the features of claim 17 solved.
  • a stack is formed from at least two fiber layers made of carbon fibers, the carbon fibers being used in the form of dry continuous fibers, the stack being subjected to a needling treatment that connects the fiber layers to one another.
  • the stack can comprise a plurality of such fiber layers.
  • the stack can basically be designed to have any geometric shape, for example rotationally symmetrical.
  • the fiber layers are made of carbon fibers. However, it is in principle also conceivable to transfer the process to other types of fibers, such as oxide ceramic fibers, silicon carbide fibers, pitch fibers, glass fibers or natural fibers.
  • the stack when forming the stack, only dry, i.e. resin-free, carbon fibers are used, from which the fiber layers are or will be formed as dry, i.e. resin-free, fiber layers.
  • impregnation or pre-impregnation of the carbon fibers with a resin, in particular with a harmful phenolic resin is completely dispensed with, so that as a result there are no cost-intensive increased protective measures for workers at a manufacturing site required are.
  • the use of harmful solvents is also unnecessary, since it is not necessary to remove resin residues that contaminate production facilities because the carbon fibers are not impregnated or pre-impregnated with a resin.
  • dry carbon fibers eliminates at least the additional energy-intensive and time-consuming process step of hardening the resin. Depending on the intended further processing of the preform, the additional energy-intensive process steps of pyrolysis or carbonization and subsequent graphitization are completely eliminated.
  • the method according to the invention therefore requires not only a comparatively reduced use of raw materials, but also a comparatively reduced number of process steps.
  • the use of dry carbon fibers therefore enables time-optimized and, in particular, cost-optimized production of the preform or a fiber composite component made from the preform, in particular carbon fiber-reinforced carbon (CFC).
  • CFC carbon fiber-reinforced carbon
  • the carbon fibers are used in the form of continuous fibers.
  • continuous fibers Compared to random fibers or short fibers, continuous fibers have significantly improved mechanical properties, in particular stiffness and strength, so that the preform can in principle be further processed into a fiber composite component with a comparatively increased service life or service life.
  • the use of continuous fibers enables the preform to be formed with a comparatively low porosity, so that in the event of a possible subsequent coating or infiltration of the preform with pyrolytic carbon, comparatively few pores of a fiber structure of the preform need to be filled with the pyrolytic carbon.
  • the use of continuous fibers makes it possible to form the stack or preform by winding or dry winding.
  • the stack is subjected to a needling treatment that connects the fiber layers to one another, i.e. the fiber layers are connected to one another by means of the needling treatment.
  • the fiber layers are therefore not connected to one another by a resin, but rather by a needling treatment of the stack, whereby at least immediately adjacent fiber layers can be connected to one another.
  • structuring needles or felting needles of an automatically operating needling device can penetrate into the stack and be brought into engagement with the carbon fibers or continuous fibers for needling of the carbon fibers or continuous fibers. This needling can lead to an advantageous felting of the stack or the fiber layers, whereby a structurally stable geometric shape of the stack or preform can be obtained.
  • a further advantage of the method according to the invention is that by using dry continuous fibers which are needled, a fiber volume fraction or fiber volume content of a fiber composite component produced from the preform can be increased, which can have an advantageous effect on the mechanical properties of the fiber composite component.
  • the method according to the invention enables a time-optimized and cost-optimized production of a preform or a fiber composite component produced from the preform, the fiber composite component having improved mechanical properties or an improved service life.
  • At least one further fiber layer made of the carbon fibers in the form of dry continuous fibers can be added to the stack at least once, wherein the stack can be subjected to a further needling treatment.
  • it can be provided to add at least one further fiber layer, which is or will be formed from the carbon fibers in the form of dry continuous fibers, to the stack after the needling treatment has been carried out.
  • the stack expanded by the at least one further fiber layer can then be subjected to a further needling treatment.
  • the process steps of adding at least one further fiber layer to the stack and subjecting the stack expanded by the at least one further fiber layer to a further needling treatment can be repeated as often as desired.
  • a penetration depth of the structuring needle into the stack or expanded stack can be adjusted so that it can penetrate essentially exclusively into the at least one further fiber layer and into a fiber layer formed or arranged immediately preceding this further fiber layer in order to move the carbon fibers into the remaining ones Do not needle the fiber layers further unnecessarily or damage them if necessary.
  • the stack can be formed exclusively from the fiber layers made from the carbon fibers in the form of dry continuous fibers.
  • the stack then exclusively comprises fiber layers which are or are formed from the carbon fibers in the form of dry continuous fibers.
  • the stack can be formed with a defined geometric shape, wherein the shape can be fixed as a result of the needling treatment.
  • the stack can form a fiber body or a fiber structure, which can have the shape.
  • the shape can be chosen arbitrarily.
  • the shape can be two-dimensional or flat, in particular rectangular, square or circular or round.
  • the shape can be three-dimensional be.
  • the shape can be rotationally symmetrical, in particular cylindrical or conical.
  • the shape can be chosen so that the preform can be further processed into a fiber composite component forming a tube, a crucible, a plate, a profile, a rod or a grid.
  • the shape of the stack can be fixed by the needling treatment in such a way that the preform has the shape, i.e. is structurally stable with regard to this shape, so that the preform can be further processed into a fiber composite component while maintaining the shape, which then also has the shape can.
  • the fiber layers can be formed from a filament yarn or from rovings and/or a semi-finished fiber product.
  • the filament yarn can be a bundle or strand made of the parallel endless fibers or filaments and can comprise, for example, 1K, 3K, 6K, 12K, 24K filaments.
  • the semi-finished fiber product can in particular be a woven fabric, a scrim, a braid or a fleece or nonwoven material, which can be formed from the continuous fibers.
  • the semi-finished fiber product can in turn be formed from a filament yarn. It is important that the carbon fibers contained in the filament yarn or semi-finished fiber product are dry continuous fibers, so that the preform can be produced without resin.
  • the fiber layers can be formed in such a way that the carbon fibers in a fiber layer run in a single direction and/or that a direction of a fiber course, viewed along a stacking direction, varies at least partially from fiber layer to fiber layer.
  • the fiber layers can be designed as unidirectional layers.
  • the carbon fibers in a fiber layer can also be oriented in different directions, i.e. have no preferred orientation.
  • the carbon fibers can be arranged in the fiber layers in such a way that the fiber layers can be arranged in a cross position.
  • the stack can be formed by winding using a winding device and/or laying using a laying device.
  • the stack or the fiber layers can also be formed by winding or laying the filament yarn and/or the semi-finished fiber product, in particular nonwoven or nonwoven fabric.
  • the winding device can have several axes, for example six axes.
  • the stack can be formed by arranging the fiber layers on a mandrel of the winding device or the laying device.
  • the mold core can determine a geometric shape of the stack or preform through a geometric shape of the mold core.
  • the mold core can then be designed, for example, with a rotationally symmetrical shape.
  • the mold core can be a winding mandrel on or around which the fiber layers or carbon fibers or continuous fibers can be wound or wound to form the stack.
  • the continuous fibers can be pre-fixed to the mold core using deflections and friction as well as using retaining pins.
  • the mold core can be at least partially made of Styrofoam.
  • the mold core can be rotated during the formation of the stack and/or during the needling treatment.
  • the stack arranged on the mold core can then be rotated.
  • rotation of the mold core or stack is not absolutely necessary.
  • the needling treatment can advantageously be carried out with stacks arranged on the mold core.
  • the preform obtained by subjecting the stack to the needling treatment can be removed from the mold core after the needling treatment.
  • the stack or preform can be separated and removed from the mold core. Since the preform has a structural can have a fixed geometric shape, the preform can be removed from the mold core and further processed while maintaining the shape, in particular coated or infiltrated with pyrolytic carbon.
  • a fiber course of the carbon fibers can be partially deflected and/or the carbon fibers can be partially damaged and/or a, preferably continuous, fiber structure of the carbon fibers can be partially interrupted.
  • the endless fibers or endless fiber bundles can be deflected from one fiber layer into fiber layers at least directly adjacent to the fiber layer, which also results in a solidification or felting of the fiber layers or the Stack can be achieved.
  • the continuous fibers, in particular the continuous fibers made from different fiber layers can be intertwined with one another.
  • a continuous fiber structure of the continuous fibers can be interrupted.
  • the continuous fibers can also be partially damaged, shortened or broken during needling.
  • the interruption of the fiber structure or damage to the continuous fibers can only be permitted to the extent that this can be largely compensated for by the comparatively good mechanical properties of the continuous fibers. Overall, a structurally stable preform can be obtained.
  • the needling treatment can be carried out in a direction perpendicular to a direction of a fiber course of the carbon fibers.
  • a needling direction can be selected parallel to a stacking direction.
  • the needling treatment can be carried out in a radial direction with respect to the stack.
  • an angle between the Verna- the direction of delung and the direction of the grain of the carbon fibers can also be chosen arbitrarily or appropriately.
  • the needling treatment can be carried out by means of a needling device, preferably electrically or pneumatically driven, whereby at least one structuring needle or felting needle of the needling device can be brought into engagement with the carbon fibers by immersing it in the stack.
  • the needling device can be a multi-axis robot. During the needling treatment, the needling device can carry out several hundred lifting movements per minute.
  • the stack can be arranged on a table during the needling treatment.
  • the structuring needle can be notched round or square.
  • the needling device can be integrated with the winding device or laying device in a system.
  • the preform produced according to the method according to the invention for producing a preform is coated with pyrolytic carbon, preferably infiltrated, to form the fiber composite component.
  • the preform is infiltrated with the pyrolytic carbon.
  • the pyrolytic carbon can then penetrate into a fiber structure of the preform and at least partially, preferably completely, fill the spaces or pores of the fiber structure located between the carbon fibers and completely surround the carbon fibers. Nevertheless, it can be provided that only the preform is coated with the pyrolytic carbon, which can lead to the formation of a surface layer made of the pyrolytic carbon. Because a carbon matrix can be formed completely from the pyrolytic carbon without resin, the carbon matrix can be a comparative have improved quality, so that the fiber composite component has comparatively better mechanical properties.
  • the preform can be coated or infiltrated with the pyrolytic carbon by means of chemical vapor deposition (CVD) or chemical vapor phase infiltration (CVI).
  • CVD chemical vapor deposition
  • CVI chemical vapor phase infiltration
  • the preform can be arranged in a reaction chamber into which a reaction gas made of a hydrocarbon can be introduced, whereby the pyrolytic carbon can be separated from the gas phase due to a chemical reaction.
  • a stack is formed from at least two fiber layers made of carbon fibers, the carbon fibers being used in the form of dry continuous fibers, the stack being subjected to a needling treatment that connects the fiber layers to one another.
  • the preform produced by the method according to the invention for producing a preform is coated with pyrolytic carbon, preferably infiltrated, to form the fiber composite component.
  • pyrolytic carbon preferably infiltrated
  • the fiber composite component can be designed for use in a device for crystal growth, for example for silicon crystal growth, in particular as a crucible.
  • the fiber composite component can also be designed as a tube, plate, profile, rod or grid.
  • a further advantageous embodiment of the fiber composite component results from the description of the features of the subclaim related to method claim 14.
  • FIG. 1 shows a partial view of a stack of fiber layers in cross section during a needling treatment
  • Fig. 2 is a side view of a needling device.
  • a stack 10 which is formed from a plurality of fiber layers 11 arranged one above the other made of carbon fibers 12 in the form of dry continuous fibers, during a needling treatment, a structuring needle 13 of a needling device, not shown here, being brought into engagement with the carbon fibers 12 is used to form a preform from the stack 10 by connecting the fiber layers 1 1 to form a fiber composite component.
  • a structuring needle 13 of a needling device not shown here, being brought into engagement with the carbon fibers 12 is used to form a preform from the stack 10 by connecting the fiber layers 1 1 to form a fiber composite component.
  • By needling the carbon fibers 12 they become Carbon fibers 12 are partially deflected and intertwined with one another, with the fiber layers 11 being felted.
  • the fiber layers 11 are formed from a fleece.
  • FIG. 2 shows a needling device 14, which is formed by a multi-axis robot 14, which includes a robot arm 15 with an end section 16, which has structuring needles, not shown here, in order to form a stack 17 of fiber layers made of carbon fibers, also not shown here of dry continuous fibers to undergo a needling treatment that connects the fiber layers to one another in order to form a preform for forming a fiber composite component.
  • the rotationally symmetrical stack 17 is arranged on a table 18.

Abstract

The invention relates to a method for producing a preform to form a composite fibre component for high-temperature applications, wherein a stack (10) of at least two fibre layers (11) formed from carbon fibres (12) is formed, wherein the carbon fibres are used in the form of dry continuous fibres, wherein the stack undergoes a needling treatment that joins the fibre layers to one another.

Description

Schunk Kohlenstofftechnik GmbH Schunk Carbon Technology GmbH
Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings und Vorformling sowie Verfahren zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils und Faserverbundbauteil Method for producing a preform and preform and method for forming a fiber composite component and fiber composite component
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen und einen Vorformling zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen, wobei ein Stapel aus zumindest zwei aus Kohlenstofffasern ausgebildeten Faserlagen ausgebildet wird. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen und ein Faserverbundbauteil für Hochtemperaturanwendungen. The invention relates to a method for producing a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications and a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications, wherein a stack is formed from at least two fiber layers made of carbon fibers. The invention further relates to a method for producing a fiber composite component for high-temperature applications and a fiber composite component for high-temperature applications.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, einen Vorformling zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen mittels eines Nasswickelverfahrens herzustellen, wobei infolge einer Imprägnierung mit einem Harz nasse Kohlenstofffasern zur Ausbildung eines Stapels aus zumindest zwei aus den Kohlenstofffasern ausgebildeten Faserlagen um einen Formkörper bzw. Wickeldorn einer Wickelvorrichtung gewickelt werden. Dabei liegen die Kohlenstofffasern beispielsweise in Form von einem mit einem Harz vorimprägnierten Faser-Matrix- Halbzeug, wie einem Prepreg, oder in Form von einem trockenen, das heißt harzfreien, Faserbündel, wie einem Roving, welches vor dem Wickeln durch ein Harzbad geführt wird, vor. Als eine Matrix bildendes Harz wird dabei regelmäßig ein Phenolharz eingesetzt. Die Verwendung des Harzes ermöglicht es, die Faserlagen miteinander zu verbinden und so eine von dem Formkörper bestimmte definierte geometri sche Form des Stapel s vorzufixieren. Nach einem Anhärten des Harzes wird der Stapel bzw. der Vorformling dann unter Beibehaltung der Form von dem Formkern entfernt und nach einem Endhärten des Harzes anschließend zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet, wobei der Vorformling regelmäßig zur Ausbildung einer Kohlenstoffmatrix bzw. eines Kohlenstoffgitters zunächst pyrolisiert bzw. karnonisiert und anschließend graphitiert sowie nachfolgend mit pyrolyti schem Kohlenstoff infiltriert wird, um ein insbesondere für Hochtemperaturanwendungen geeignetes Bauteil aus kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) zu erhalten. Nachteilhaft bei diesem Herstellungsverfahren ist indessen, dass insbesondere das regelmäßig eingesetzte Phenolharz gesundheitsschädlich ist und dessen Einsatz somit kostenintensive erhöhte Schutzmaßnahmen für Arbeiter an einer Herstellungsstätte erforderlich macht. Gleichermaßen sind Lösungsmittel, welche üblicherweise zur Beseitigung von Herstellungsanlagen verunreinigenden Harzrückständen zur Anwendung gelangen müssen, regelmäßig nicht zuträglich für eine Gesundheit der Arbeiter und erfordern folglich auch erhöhte Schutzmaßnahmen. Hinzu kommt, dass infolge der Verwendung eines Harzes bei dem Herstellungsverfahren an sich die zusätzlichen Verfahrensschritte der Härtung des Harzes sowie der Pyrolyse bzw. Karbonisierung und Graphitierung erforderlich sind, welche nicht zuletzt hochgradig energieintensiv und teilweise auch zeitintensiv sind. Diese Faktoren bedingen in ihrer Gesamtheit einen nachteilhaften Anstieg von einer Herstellungszeit und insbesondere auch von Herstellungskosten des nach diesem Herstellungsverfahren hergestellten Vorformlings bzw. Faserverbundbauteils. It is known from the prior art to produce a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications by means of a wet winding process, whereby, as a result of impregnation with a resin, wet carbon fibers are used to form a stack of at least two fiber layers formed from the carbon fibers around a shaped body or winding mandrel Winding device can be wound. The carbon fibers are, for example, in the form of a fiber-matrix semi-finished product pre-impregnated with a resin, such as a prepreg, or in the form of a dry one means resin-free, fiber bundles, such as a roving, which is passed through a resin bath before winding. A phenolic resin is regularly used as the matrix-forming resin. The use of the resin makes it possible to connect the fiber layers to one another and thus prefix a defined geometric shape of the stack determined by the molded body. After the resin has hardened, the stack or preform is then removed from the mold core while maintaining the shape and, after final hardening of the resin, is then further processed into a fiber composite component, with the preform first being pyrolyzed or carnonized to form a carbon matrix or carbon grid and then graphitized and subsequently infiltrated with pyrolytic carbon in order to obtain a component made of carbon fiber reinforced carbon (CFC) that is particularly suitable for high temperature applications. However, the disadvantage of this manufacturing process is that the phenolic resin that is regularly used is harmful to health and its use therefore requires cost-intensive increased protective measures for workers at a manufacturing site. At the same time, solvents that are usually used to remove resin residues contaminating production facilities are generally not beneficial to the health of workers and therefore require increased protective measures. In addition, as a result of the use of a resin in the manufacturing process itself, the additional process steps of hardening the resin as well as pyrolysis or carbonization and graphitization are required, which are not least highly energy-intensive and sometimes also time-consuming. These factors as a whole cause a disadvantageous increase in manufacturing time and in particular also in manufacturing costs of the preform or fiber composite component produced using this manufacturing process.
Bei einem weiteren aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings zur Ausbildung eines Faserverbundbau- teils für Hochtemperaturanwendungen bzw. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen wird zunächst durch Umformen eines Wirrfaser- bzw. Kurzfaservlies-Halbzeugs aus Kohlenstofffasern ein Vorformling ausgebildet, welcher insbesondere nachfolgend zur Ausbildung des Faserverbundbauteils mit pyrolytischem Kohlenstoff infiltriert wird. Nachteilhaft bei diesem Herstellungsverfahren ist j edoch, dass der aus den Wirrfasern bzw. Kurzfasern durch Umformen des Wirrfaser- bzw. Kurzfaservlies-Halbzeugs ausgebildete Vorformling eine vergleichsweise hohe Porosität aufweist, so dass bei der Infiltration des Vorformlings mit dem pyrolytischen Kohlenstoff eine Vielzahl von Poren einer Faserstruktur des Vorformlings mit dem pyrolytischen Kohlenstoff aufgefüllt werden muss. Zudem weist ein derart hergestelltes Faserverbundbauteil bedingt durch vergleichsweise schlechtere mechanische Eigenschaften der zur Herstellung des Vorformlings verwendeten Wirrfasern bzw. Kurzfasern eine vergleichsweise geringere Standzeit bzw. Lebensdauer auf. In another method known from the prior art for producing a preform for forming a fiber composite structure Partly for high-temperature applications or processes for producing a fiber composite component for high-temperature applications, a preform is first formed by forming a random fiber or short fiber fleece semi-finished product made of carbon fibers, which is infiltrated with pyrolytic carbon, in particular subsequently, to form the fiber composite component. However, the disadvantage of this manufacturing process is that the preform formed from the random fibers or short fibers by forming the random fiber or short fiber nonwoven semi-finished product has a comparatively high porosity, so that when the preform is infiltrated with the pyrolytic carbon, a large number of pores are formed Fiber structure of the preform must be filled with the pyrolytic carbon. In addition, a fiber composite component produced in this way has a comparatively shorter service life or service life due to the comparatively poorer mechanical properties of the random fibers or short fibers used to produce the preform.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen und einen Vorformling zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen und ein Faserverbundbauteil für Hochtemperaturanwendungen vorzuschlagen, welches bzw. welcher eine kostenoptimierte Herstellung eines derartigen Vorformlings bzw. Faserverbundbauteils ermöglicht bzw. vergleichsweise kostengünstig herstellbar und hinsichtlich einer Standzeit verbessert ist. The present invention is therefore based on the object of proposing a method for producing a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications and a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications as well as a method for producing a fiber composite component for high-temperature applications and a fiber composite component for high-temperature applications, which one cost-optimized production of such a preform or fiber composite component is possible or can be produced comparatively inexpensively and is improved in terms of service life.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einen Vorformling zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 16 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Faserverbundbauteil für Hochtemperaturanwendungen mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst. This object is achieved by a method for producing a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications with the features of claim 1 and a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications with the features of claim 16 and a method for Manufacture of a fiber composite component for high-temperature applications with the features of claim 14 and a fiber composite component for high-temperature applications with the features of claim 17 solved.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen wird ein Stapel aus zumindest zwei aus Kohlenstofffasern ausgebildeten Faserlagen ausgebildet, wobei die Kohlenstofffasern in Form von trockenen Endlosfasern verwendet werden, wobei der Stapel einer die Faserlagen miteinander verbindenden Vernadelungsbehandlung unterzogen wird. In the method according to the invention for producing a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications, a stack is formed from at least two fiber layers made of carbon fibers, the carbon fibers being used in the form of dry continuous fibers, the stack being subjected to a needling treatment that connects the fiber layers to one another.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, einen Stapel bzw. ein Laminat aus zumindest zwei aus Kohlenstofffasern ausgebildeten Faserlagen bzw. Faserschichten auszubilden, wobei die Faserlagen übereinander bzw. nebeneinander angeordnet bzw. geschichtet werden können. Vorteilhafterweise kann der Stapel eine Vielzahl von derartigen Faserlagen umfassen. Der Stapel kann dabei grundsätzlich eine beliebige geometrische Form aufweisend, beispielsweise auch rotationssymmetrisch, ausgebildet werden. Die Faserlagen sind aus Kohlenstofffasern ausgebildet. Jedoch ist es grundsätzlich auch denkbar, das Verfahren auf andere Faserarten, wie beispielswiese Oxidkeramikfasern, Siliciumcarbidfasern, Pechfasern, Glasfasern oder Naturfasern, zu übertragen. According to the invention, it is provided to form a stack or a laminate from at least two fiber layers or fiber layers made of carbon fibers, wherein the fiber layers can be arranged or layered one above the other or next to one another. Advantageously, the stack can comprise a plurality of such fiber layers. The stack can basically be designed to have any geometric shape, for example rotationally symmetrical. The fiber layers are made of carbon fibers. However, it is in principle also conceivable to transfer the process to other types of fibers, such as oxide ceramic fibers, silicon carbide fibers, pitch fibers, glass fibers or natural fibers.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass bei der Ausbildung des Stapel s ausschließlich trockene, das heißt harzfreie, Kohlenstofffasern verwendet werden, aus welchen damit dann auch die Faserlagen als trockene, das heißt harzfreie, Faserlagen ausgebildet sind bzw. werden. Mit anderen Worten wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auf eine Imprägnierung bzw. Vorimprägnierung der Kohlenstofffasern mit einem Harz, insbesondere mit einem gesundheitsschädlichen Phenolharz, vollständig verzichtet, so dass infolgedessen keine kostenintensiven erhöhten Schutzmaßnahmen für Arbeiter an einer Herstellungsstätte erforderlich sind. Auch eine Anwendung von gesundheitsschädlichen Lösungsmitteln erübrigt sich, da eine Beseitigung von Herstellungsanlagen verunreinigenden Harzrückständen wegen des Verzichts auf die Imprägnierung bzw. Vorimprägnierung der Kohlenstofffasern mit einem Harz nicht notwendig ist. Zudem entfällt infolge der Verwendung von den trockenen Kohlenstofffasern zumindest der zusätzliche energieintensive und zeitintensive Verfahrensschritt der Härtung des Harzes. Je nach vorgesehener Weiterverarbeitung des Vorformlings entfallen auch die zusätzlichen energieintensiven Verfahrensschritte der Pyrolyse bzw. Karboni sierung und der anschließenden Graphitierung vollständig. Somit erfordert das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur einen vergleichsweise verringerten Einsatz von Rohstoffen, sondern auch eine vergleichsweise verringerte Anzahl an Verfahrensschritten. Insgesamt ermöglicht die Verwendung von trockenen Kohlenstoffasern daher eine zeitoptimierte und insbesondere auch kostenoptimierte Herstellung des Vorformlings bzw. eines aus dem Vorformling hergestellten Faserverbundbauteils aus insbesondere kohlenstofffaserverstärktem Kohlenstoff (CFC). According to the invention, it is further provided that when forming the stack, only dry, i.e. resin-free, carbon fibers are used, from which the fiber layers are or will be formed as dry, i.e. resin-free, fiber layers. In other words, in the method according to the invention, impregnation or pre-impregnation of the carbon fibers with a resin, in particular with a harmful phenolic resin, is completely dispensed with, so that as a result there are no cost-intensive increased protective measures for workers at a manufacturing site required are. The use of harmful solvents is also unnecessary, since it is not necessary to remove resin residues that contaminate production facilities because the carbon fibers are not impregnated or pre-impregnated with a resin. In addition, the use of dry carbon fibers eliminates at least the additional energy-intensive and time-consuming process step of hardening the resin. Depending on the intended further processing of the preform, the additional energy-intensive process steps of pyrolysis or carbonization and subsequent graphitization are completely eliminated. The method according to the invention therefore requires not only a comparatively reduced use of raw materials, but also a comparatively reduced number of process steps. Overall, the use of dry carbon fibers therefore enables time-optimized and, in particular, cost-optimized production of the preform or a fiber composite component made from the preform, in particular carbon fiber-reinforced carbon (CFC).
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die Kohlenstofffasern in Form von Endlosfasern verwendet werden. Endlosfasern weisen verglichen mit Wirrfasern bzw. Kurzfasern erheblich verbesserte mechani sche Eigenschaften, insbesondere eine Steifigkeit und eine Festigkeit, auf, so dass der Vorformling grundsätzlich zu einem Faserverbundbauteil mit einer vergleichsweise erhöhten Standzeit bzw. Lebensdauer weiterverarbeitet werden kann. Darüber hinaus ermöglicht die Verwendung von Endlosfasern die Ausbildung des Vorformlings mit einer vergleichsweise geringen Porosität, so dass bei einer möglichen nachfolgenden Beschichtung bzw. Infiltration des Vorformlings mit pyrolytischem Kohlenstoff vergleichsweise wenige Poren einer Faserstruktur des Vorformlings mit dem pyrolytischen Kohlenstoff aufgefüllt werden müssen. Zudem ermöglich die Verwendung von Endlosfasern, den Stapel bzw. Vorformling durch Wickeln bzw. Trockenwickeln auszubilden. Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass der Stapel einer die Faserlagen miteinander verbindenden Vernadelungsbehandlung unterzogen wird, die Faserlagen also mittels der Vernadelungsbehandlung miteinander verbunden werden. Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bekannten Nasswickelverfahren werden die Faserlagen folglich nicht durch ein Harz, sondern durch eine Vernadelungsbehandlung des Stapels, miteinander verbunden, wobei zumindest unmittelbar benachbarte Faserlagen miteinander verbunden werden können. Bei der Vernadelungsbehandlung können Strukturierungsnadeln bzw. Filznadeln einer automatisch arbeitenden Vernadelungsvorrichtung in den Stapel eindringen und zur Vernadelung der Kohlenstofffasern bzw. Endlosfasern in Eingriff mit den Kohlenstofffasern bzw. Endlosfasern gebracht werden. Diese Vernadelung kann zu einem vorteilhaften Verfilzen des Stapels bzw. der Faserlagen führen, wodurch eine strukturfeste geometrische Form des Stapel s bzw. Vorformlings erhalten werden kann. According to the invention it is further provided that the carbon fibers are used in the form of continuous fibers. Compared to random fibers or short fibers, continuous fibers have significantly improved mechanical properties, in particular stiffness and strength, so that the preform can in principle be further processed into a fiber composite component with a comparatively increased service life or service life. In addition, the use of continuous fibers enables the preform to be formed with a comparatively low porosity, so that in the event of a possible subsequent coating or infiltration of the preform with pyrolytic carbon, comparatively few pores of a fiber structure of the preform need to be filled with the pyrolytic carbon. In addition, the use of continuous fibers makes it possible to form the stack or preform by winding or dry winding. According to the invention it is further provided that the stack is subjected to a needling treatment that connects the fiber layers to one another, i.e. the fiber layers are connected to one another by means of the needling treatment. In contrast to the wet winding process known from the prior art, the fiber layers are therefore not connected to one another by a resin, but rather by a needling treatment of the stack, whereby at least immediately adjacent fiber layers can be connected to one another. During the needling treatment, structuring needles or felting needles of an automatically operating needling device can penetrate into the stack and be brought into engagement with the carbon fibers or continuous fibers for needling of the carbon fibers or continuous fibers. This needling can lead to an advantageous felting of the stack or the fiber layers, whereby a structurally stable geometric shape of the stack or preform can be obtained.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass durch die Verwendung von trockenen Endlosfasern, welche vernadelt werden, ein Faservolumenanteil bzw. Faservolumengehalt eines aus dem Vorformling hergestellten Faserverbundbauteils erhöht werden kann, was sich vorteilhaft auf die mechanischen Eigenschaften des Faserverbundbauteils auswirken kann. A further advantage of the method according to the invention is that by using dry continuous fibers which are needled, a fiber volume fraction or fiber volume content of a fiber composite component produced from the preform can be increased, which can have an advantageous effect on the mechanical properties of the fiber composite component.
Im Ergebni s ermöglich das erfindungsgemäße Verfahren somit eine zeitoptimierte und kostenoptimierte Herstellung eines Vorformlings bzw. eines aus dem Vorformling hergestellten Faserverbundbauteils, wobei das Faserverbundbauteil verbesserte mechanische Eigenschaften bzw. eine verbesserte Standzeit aufweist. As a result, the method according to the invention enables a time-optimized and cost-optimized production of a preform or a fiber composite component produced from the preform, the fiber composite component having improved mechanical properties or an improved service life.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dem Stapel nach dem Unterziehen der Vernadelungsbehandlung mindestens einmal zumindest eine weitere Faserlage aus den Kohlenstofffasern in Form von trockenen Endlosfasern hinzugefügt werden, wobei der Stapel einer weiteren Vernadelungsbehandlung unterzogen werden kann. Dem- zufolge kann vorgesehen sein, dem Stapel nach einer Durchführung der Vernadelungsbehandlung zumindest eine weitere Faserlage, welche aus den Kohlenstofffasern in Form von trockenen Endlosfasern ausgebildet ist bzw. wird, hinzuzufügen. Anschließend kann der um die zumindest eine weitere Faserlage erweiterte Stapel einer weiteren Vernadelungsbehandlung unterzogen werden. Die Verfahrensschritte des Hinzufügens zumindest einer weiteren Faserlage zu dem Stapel und des Unterziehens des um die zumindest eine weitere Faserlage erweiterten Stapels einer weiteren Vernadelungsbehandlung können beliebig oft wiederholt werden. Durch ein Durchführen von mehreren Vernadelungsbehandlungen kann vorteilhaft ein verbesserter Zusammenhalt der Faserlagen und somit eine höhere Strukturfestigkeit des Stapels bzw. Vorformlings erreicht werden. Eine Eindringtiefe der Strukturierungsnadel in den Stapel bzw. erweiterten Stapel kann dabei so angepasst werden, dass diese im Wesentlichen ausschließlich in die zumindest eine weitere Faserlage und in eine dieser weiteren Faserlage unmittelbar vorangehend ausgebildete bzw. angeordnete Faserlage eindringen kann, um die Kohlenstofffasern in den übrigen Faserlagen nicht unnötig weiter zu vernadeln oder gegebenenfalls zu beschädigen. In one embodiment of the method according to the invention, after subjecting it to the needling treatment, at least one further fiber layer made of the carbon fibers in the form of dry continuous fibers can be added to the stack at least once, wherein the stack can be subjected to a further needling treatment. Dem- Accordingly, it can be provided to add at least one further fiber layer, which is or will be formed from the carbon fibers in the form of dry continuous fibers, to the stack after the needling treatment has been carried out. The stack expanded by the at least one further fiber layer can then be subjected to a further needling treatment. The process steps of adding at least one further fiber layer to the stack and subjecting the stack expanded by the at least one further fiber layer to a further needling treatment can be repeated as often as desired. By carrying out several needling treatments, an improved cohesion of the fiber layers and thus a higher structural strength of the stack or preform can advantageously be achieved. A penetration depth of the structuring needle into the stack or expanded stack can be adjusted so that it can penetrate essentially exclusively into the at least one further fiber layer and into a fiber layer formed or arranged immediately preceding this further fiber layer in order to move the carbon fibers into the remaining ones Do not needle the fiber layers further unnecessarily or damage them if necessary.
Vorteilhafterweise kann der Stapel ausschließlich aus den Faserlagen aus den Kohlenstofffasern in Form von trockenen Endlosfasern ausgebildet werden. In diesem Fall umfasst der Stapel dann ausschließlich Faserlagen, welche aus den Kohlenstofffasern in Form von trockenen Endlosfasern ausgebildet sind bzw. werden. Advantageously, the stack can be formed exclusively from the fiber layers made from the carbon fibers in the form of dry continuous fibers. In this case, the stack then exclusively comprises fiber layers which are or are formed from the carbon fibers in the form of dry continuous fibers.
Vorteilhafterweise kann der Stapel mit einer definierten geometrischen Form ausgebildet werden, wobei die Form infolge der Vernadelungsbehandlung fixiert werden kann. Der Stapel kann einen Faserkörper bzw. ein Fasergebilde ausbilden, welcher die Form aufweisen kann. Grundsätzlich kann die Form beliebig gewählt werden. Die Form kann zweidimensional bzw. flächig, insbesondere rechteckig, quadratisch oder kreisartig bzw. rund, sein. Alternativ kann die Form dreidimensional sein. Vorzugsweise kann die Form rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch oder konisch, sein. Die Form kann so gewählt werden, dass der Vorformling zu einem ein Rohr, einen Tiegel, eine Platte, ein Profil, einen Stab oder ein Gitter ausbildenden Faserverbundbauteil weiterverarbeitet werden kann. Die Form des Stapels kann durch die Vernadelungs- behandlung derart fixiert werden, dass der Vorformling die Form aufweist, also hinsichtlich dieser Form strukturfest ist, so dass der Vorformling unter Beibehaltung der Form zu einem Faserverbundbauteil weiterverarbeitet werden kann, welches dann ebenfall s die Form aufweisen kann. Advantageously, the stack can be formed with a defined geometric shape, wherein the shape can be fixed as a result of the needling treatment. The stack can form a fiber body or a fiber structure, which can have the shape. In principle, the shape can be chosen arbitrarily. The shape can be two-dimensional or flat, in particular rectangular, square or circular or round. Alternatively, the shape can be three-dimensional be. Preferably, the shape can be rotationally symmetrical, in particular cylindrical or conical. The shape can be chosen so that the preform can be further processed into a fiber composite component forming a tube, a crucible, a plate, a profile, a rod or a grid. The shape of the stack can be fixed by the needling treatment in such a way that the preform has the shape, i.e. is structurally stable with regard to this shape, so that the preform can be further processed into a fiber composite component while maintaining the shape, which then also has the shape can.
Vorteilhafterweise können die Faserlagen aus einem Filamentgarn bzw. aus Rovings und/oder einem Faserhalbzeug ausgebildet sein bzw. werden. Das Filamentgarn kann ein Bündel bzw. Strang aus den parallel angeordneten Endlosfasern bzw. Filamenten sein und beispiel sweise 1 K, 3 K, 6 K, 12 K, 24 K Filamente umfassen. Weiter kann das Faserhalbzeug insbesondere ein Gewebe, ein Gelege, Geflecht oder ein Vlies bzw. Vliesstoff sein, welches bzw. welcher aus den Endlosfasern ausgebildet sein kann. Das Faserhalbzeug kann seinerseits aus einem Filamentgarn ausgebildet sein. Wesentlich ist, dass die in dem Filamentgarn bzw. Faserhalbzeug enthaltenen Kohlenstofffasern trockene Endlosfasern sind, so dass eine harzfreie Herstellung des Vorformlings erfolgen kann. Advantageously, the fiber layers can be formed from a filament yarn or from rovings and/or a semi-finished fiber product. The filament yarn can be a bundle or strand made of the parallel endless fibers or filaments and can comprise, for example, 1K, 3K, 6K, 12K, 24K filaments. Furthermore, the semi-finished fiber product can in particular be a woven fabric, a scrim, a braid or a fleece or nonwoven material, which can be formed from the continuous fibers. The semi-finished fiber product can in turn be formed from a filament yarn. It is important that the carbon fibers contained in the filament yarn or semi-finished fiber product are dry continuous fibers, so that the preform can be produced without resin.
Die Faserlagen können derart ausgebildet werden, dass die Kohlenstofffasern in einer Faserlage in eine einzige Richtung verlaufen und/oder dass eine Richtung eines Faserverlaufs entlang einer Stapelrichtung betrachtet von Faserlage zu Faserlage zumindest teilweise variiert. Demzufolge können die Faserlagen als unidirektionale Schichten ausgebildet sein bzw. werden. Grundsätzlich können die Kohlenstofffasern in einer Faserlage j edoch auch in unterschiedliche Richtungen orientiert sein, also keine bevorzugte Ausrichtung besitzen. Weiter können die Kohlenstofffasern in den Faserlagen derart angeordnet sein, dass die Faserlagen in Kreuzlage angeordnet sein können. Vorteilhafterweise kann der Stapel durch Wickeln mittel s einer Wickelvorrichtung und/oder Legen mittels einer Legevorrichtung ausgebildet werden. Insbesondere kann der Stapel bzw. können die Faserlagen damit auch durch Wickeln oder Legen des Filamentgarns und/oder des Faserhalbzeugs, insbesondere von Vlies bzw. Vliesstoff, ausgebildet werden. Die Wickelvorrichtung kann mehrere Achsen, beispielsweise sechs Achsen, aufweisen. The fiber layers can be formed in such a way that the carbon fibers in a fiber layer run in a single direction and/or that a direction of a fiber course, viewed along a stacking direction, varies at least partially from fiber layer to fiber layer. As a result, the fiber layers can be designed as unidirectional layers. In principle, however, the carbon fibers in a fiber layer can also be oriented in different directions, i.e. have no preferred orientation. Furthermore, the carbon fibers can be arranged in the fiber layers in such a way that the fiber layers can be arranged in a cross position. Advantageously, the stack can be formed by winding using a winding device and/or laying using a laying device. In particular, the stack or the fiber layers can also be formed by winding or laying the filament yarn and/or the semi-finished fiber product, in particular nonwoven or nonwoven fabric. The winding device can have several axes, for example six axes.
Der Stapel kann unter Anordnen der Faserlagen an einem Formkern der Wickelvorrichtung oder der Legevorrichtung ausgebildet werden. Der Formkern kann durch eine geometrische Form des Formkerns eine geometrische Form des Stapel s bzw. Vorformlings bestimmen. Zur Ausbildung eines rotationssymmetrischen Stapels bzw. Vorformlings kann der Formkern dann beispielsweise mit einer rotationssymmetrischen Form ausgebildet sein. Der Formkern kann ein Wickeldorn sein, auf bzw. um welchen die Faserlagen bzw. Kohlenstofffasern bzw. Endlosfasern zur Ausbildung des Stapels gewickelt bzw. aufgewickelt werden können. Dabei können die Endlosfasern über Umlenkungen und Reibung sowie mittels Haltestiften an dem Formkern vorfixiert werden. Weiter kann der Formkern zumindest teilweise aus Styropor ausgebildet sein. The stack can be formed by arranging the fiber layers on a mandrel of the winding device or the laying device. The mold core can determine a geometric shape of the stack or preform through a geometric shape of the mold core. To form a rotationally symmetrical stack or preform, the mold core can then be designed, for example, with a rotationally symmetrical shape. The mold core can be a winding mandrel on or around which the fiber layers or carbon fibers or continuous fibers can be wound or wound to form the stack. The continuous fibers can be pre-fixed to the mold core using deflections and friction as well as using retaining pins. Furthermore, the mold core can be at least partially made of Styrofoam.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Formkern bei der Ausbildung des Stapels und/oder bei der Vernadelungs- behandlung rotiert werden. Dabei kann der an dem Formkern angeordnete Stapel dann rotiert werden. Jedoch ist eine Rotation des Formkerns bzw. Stapel s nicht zwangsweise erforderlich. Die Vernadelungsbehandlung kann vorteilhafterweise bei an dem Formkern angeordneten Stapel erfolgen. In one embodiment of the method according to the invention, the mold core can be rotated during the formation of the stack and/or during the needling treatment. The stack arranged on the mold core can then be rotated. However, rotation of the mold core or stack is not absolutely necessary. The needling treatment can advantageously be carried out with stacks arranged on the mold core.
Vorteilhafterweise kann der durch das Unterziehen des Stapels der Vernadelungsbehandlung erhaltene Vorformling nach der Vernadelungsbehandlung von dem Formkern entfernt werden. Dabei kann der Stapel bzw. Vorformling aufgetrennt und von dem Formkern abgezogen werden. Da der Vorformling infolge der Vernadelungsbehandlung eine Struktur- feste geometrische Form aufweisen kann, kann der Vorformling unter Beibehaltung der Form von dem Formkern entfernt und weiterverarbeitet werden, insbesondere mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet bzw. infiltriert werden. Advantageously, the preform obtained by subjecting the stack to the needling treatment can be removed from the mold core after the needling treatment. The stack or preform can be separated and removed from the mold core. Since the preform has a structural can have a fixed geometric shape, the preform can be removed from the mold core and further processed while maintaining the shape, in particular coated or infiltrated with pyrolytic carbon.
Vorteilhafterweise kann infolge der Vernadelungsbehandlung ein Faserverlauf der Kohlenstofffasern teilweise umgelenkt werden und/oder können die Kohlenstofffasern teilweise beschädigt werden und/oder kann eine, vorzugsweise kontinuierliche, Faserstruktur der Kohlenstofffasern teilweise unterbrochen werden. Durch eine Vernadelung der Endlosfasern, beispielsweise mittels Strukturierungsnadeln bzw. Filznadeln, können die Endlosfasern bzw. Endlosfaserbündel zur Verbindung der Faserlagen aus einer Faserlage in zumindest unmittelbar zu der Faserlage benachbarte Faserlagen umgelenkt werden, wodurch auch eine Verfestigung bzw. ein Verfilzen der Faserlagen bzw. des Stapels erreicht werden kann. Dabei können die Endlosfasern, insbesondere die Endlosfasern aus verschiedenen Faserlagen, miteinander verschlungen werden. Bei der Vernadelung kann eine kontinuierliche Faserstruktur der Endlosfasern unterbrochen werden. Auch können die Endlosfasern bei der Vernadelung partiell beschädigt bzw. eingekürzt bzw. gebrochen werden. Die Unterbrechung der Faserstruktur bzw. die Beschädigung der Endlosfasern kann dabei nur insoweit zugelassen werden, al s diese durch die vergleichsweise guten mechanischen Eigenschaften der Endlosfasern zu einem Großteil kompensiert werden kann. Insgesamt kann dadurch ein strukturfester Vorformling erhalten werden. Advantageously, as a result of the needling treatment, a fiber course of the carbon fibers can be partially deflected and/or the carbon fibers can be partially damaged and/or a, preferably continuous, fiber structure of the carbon fibers can be partially interrupted. By needling the endless fibers, for example by means of structuring needles or felting needles, the endless fibers or endless fiber bundles can be deflected from one fiber layer into fiber layers at least directly adjacent to the fiber layer, which also results in a solidification or felting of the fiber layers or the Stack can be achieved. The continuous fibers, in particular the continuous fibers made from different fiber layers, can be intertwined with one another. During needling, a continuous fiber structure of the continuous fibers can be interrupted. The continuous fibers can also be partially damaged, shortened or broken during needling. The interruption of the fiber structure or damage to the continuous fibers can only be permitted to the extent that this can be largely compensated for by the comparatively good mechanical properties of the continuous fibers. Overall, a structurally stable preform can be obtained.
Vorteilhafterweise kann die Vernadelungsbehandlung in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Faserverlaufs der Kohlenstofffasern erfolgen. Eine Vernadelungsrichtung kann parallel zur einer Stapelrichtung gewählt werden. Bei einem rotationssymmetrischen Stapel kann die Vernadelungsbehandlung bezogen auf den Stapel in einer radialen Richtung erfolgen. Grundsätzlich kann ein Winkel zwischen der Verna- delungsrichtung und der Richtung des Faserverlaufs der Kohlenstofffasern j edoch auch beliebig bzw. geeignet gewählt werden. Advantageously, the needling treatment can be carried out in a direction perpendicular to a direction of a fiber course of the carbon fibers. A needling direction can be selected parallel to a stacking direction. In the case of a rotationally symmetrical stack, the needling treatment can be carried out in a radial direction with respect to the stack. In principle, an angle between the Verna- However, the direction of delung and the direction of the grain of the carbon fibers can also be chosen arbitrarily or appropriately.
Vorteilhafterweise kann die Vernadelungsbehandlung mittels einer, vorzugsweise elektrisch oder pneumatisch angetriebenen, Vernadelungs- vorrichtung durchgeführt werden, wobei zumindest eine Strukturierungsnadel bzw. Filznadel der Vernadelungsvorrichtung in den Stapel eintauchend in Eingriff mit den Kohlenstofffasern gebracht werden kann. Die Vernadelungsvorrichtung kann ein mehrachsiger Roboter sein. Bei der Vernadelungsbehandlung kann die Vernadelungsvorrichtung mehrere hundert Hubbewegungen pro Minute ausführen. Der Stapel kann während der Vernadelungsbehandlung auf einem Tisch angeordnet sein. Die Strukturierungsnadel kann rund oder eckig gekerbt sein. Weiter kann die Vernadelungsvorrichtung mit der Wickelvorrichtung bzw. Legevorrichtung in einer Anlage integriert sein. Advantageously, the needling treatment can be carried out by means of a needling device, preferably electrically or pneumatically driven, whereby at least one structuring needle or felting needle of the needling device can be brought into engagement with the carbon fibers by immersing it in the stack. The needling device can be a multi-axis robot. During the needling treatment, the needling device can carry out several hundred lifting movements per minute. The stack can be arranged on a table during the needling treatment. The structuring needle can be notched round or square. Furthermore, the needling device can be integrated with the winding device or laying device in a system.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu Herstellung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen wird zur Ausbildung des Faserverbundbauteils der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings hergestellte Vorformling mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet, vorzugsweise infiltriert. Vorzugsweise wird der Vorformling mit dem pyrolyti schen Kohlenstoff infiltriert. Der pyrolytische Kohlenstoff kann dann in eine Faserstruktur des Vorformlings eindringen und zwischen den Kohlenstofffasern befindliche Zwischenräume bzw. Poren der Faserstruktur zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, ausfüllen und die Kohlenstofffasern vollständig umgeben. Gleichwohl kann vorgesehen sein, dass lediglich eine Beschichtung des Vorformlings mit dem pyrolytischen Kohlenstoff vorgenommen wird, was zu einer Ausbildung einer Oberflächenschicht aus dem pyrolytischen Kohlenstoff führen kann. Dadurch, dass eine Kohlenstoffmatrix harzfrei, vollständig aus dem pyrolytischen Kohlenstoff ausgebildet werden kann, kann die Kohlenstoffmatrix eine Vergleichs- weise verbesserte Qualität aufweisen, so dass das Faserverbundbauteil vergleichsweise bessere mechani sche Eigenschaften aufweist. In the method according to the invention for producing a fiber composite component for high-temperature applications, the preform produced according to the method according to the invention for producing a preform is coated with pyrolytic carbon, preferably infiltrated, to form the fiber composite component. Preferably, the preform is infiltrated with the pyrolytic carbon. The pyrolytic carbon can then penetrate into a fiber structure of the preform and at least partially, preferably completely, fill the spaces or pores of the fiber structure located between the carbon fibers and completely surround the carbon fibers. Nevertheless, it can be provided that only the preform is coated with the pyrolytic carbon, which can lead to the formation of a surface layer made of the pyrolytic carbon. Because a carbon matrix can be formed completely from the pyrolytic carbon without resin, the carbon matrix can be a comparative have improved quality, so that the fiber composite component has comparatively better mechanical properties.
Vorteilhafterweise kann das Beschichten bzw. das Infiltrieren des Vorformlings mit dem pyrolytischen Kohlenstoff mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) bzw. chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) erfolgen. Dazu kann der Vorformling in einer Reaktionskammer angeordnet werden, in welche ein Reaktionsgas aus einem Kohlenwasserstoff eingebracht werden kann, wobei der pyrolytische Kohlenstoff aufgrund einer chemischen Reaktion aus der Gasphase abgeschieden werden kann. Advantageously, the preform can be coated or infiltrated with the pyrolytic carbon by means of chemical vapor deposition (CVD) or chemical vapor phase infiltration (CVI). For this purpose, the preform can be arranged in a reaction chamber into which a reaction gas made of a hydrocarbon can be introduced, whereby the pyrolytic carbon can be separated from the gas phase due to a chemical reaction.
Bei dem erfindungsgemäßen Vorformling zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen ist ein Stapel aus zumindest zwei aus Kohlenstofffasern ausgebildeten Faserlagen ausgebildet, wobei die Kohlenstofffasern in Form von trockenen Endlosfasern verwendet sind, wobei der Stapel einer die Faserlagen miteinander verbindenden Vernadelungsbehandlung unterzogen ist. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Vorformlings wird auf die Vorteilsbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Vorformlings verwiesen. In the preform according to the invention for forming a fiber composite component for high-temperature applications, a stack is formed from at least two fiber layers made of carbon fibers, the carbon fibers being used in the form of dry continuous fibers, the stack being subjected to a needling treatment that connects the fiber layers to one another. Regarding the advantageous effects of the preform according to the invention, reference is made to the description of the advantages of the method according to the invention for producing the preform.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des Vorformlings ergeben sich aus den Merkmalsbeschreibungen der auf den Verfahrensanspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche. Further advantageous embodiments of the preform result from the feature descriptions of the subclaims relating to method claim 1.
Bei dem erfindungsgemäßen Faserverbundbauteil für Hochtemperaturanwendungen ist zur Ausbildung des Faserverbundbauteils der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings hergestellte Vorformling mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet, vorzugsweise infiltriert. Zu den vorteilhaften Wirkungen des erfindungsgemäßen Faserverbundbauteils wird auf die Vorteil sbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung des Faserverbundbauteils verwiesen. In the fiber composite component according to the invention for high-temperature applications, the preform produced by the method according to the invention for producing a preform is coated with pyrolytic carbon, preferably infiltrated, to form the fiber composite component. The advantageous effects of the fiber composite component according to the invention are discussed in the description of the advantages Method according to the invention for producing the fiber composite component.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des Faserverbundbauteils kann das Faserverbundbauteil zur Verwendung für eine Vorrichtung zur Kristallzüchtung, beispielsweise zur Siliciumkristallzüchtung, insbesondere als ein Tiegel, ausgebildet sein. Ebenso kann das Faserverbundbauteil als Rohr, Platte, Profil, Stab oder Gitter ausgebildet sein. In an advantageous embodiment of the fiber composite component, the fiber composite component can be designed for use in a device for crystal growth, for example for silicon crystal growth, in particular as a crucible. The fiber composite component can also be designed as a tube, plate, profile, rod or grid.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Faserverbundbauteils ergibt sich aus der Merkmalsbeschreibung des auf den Verfahrensanspruch 14 rückbezogenen Unteranspruchs. A further advantageous embodiment of the fiber composite component results from the description of the features of the subclaim related to method claim 14.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Preferred embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings.
Es zeigen: Show it:
Fig. 1 eine Teilansicht eines Stapels aus Faserlagen im Querschnitt während einer Vernadelungsbehandlung; 1 shows a partial view of a stack of fiber layers in cross section during a needling treatment;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer Vernadelungsvorrichtung. Fig. 2 is a side view of a needling device.
Die Fig. 1 zeigt einen Stapel 10, welcher aus einer Vielzahl von übereinander angeordneten Faserlagen 1 1 aus Kohlenstoffasern 12 in Form von trockenen Endlosfasern ausgebildet ist, während einer Vernadelungsbehandlung, wobei eine Strukturierungsnadel 13 einer hier nicht gezeigten Vernadelungsvorrichtung in Eingriff mit den Kohlenstofffasern 12 gebracht wird, um aus dem Stapel 10 unter Verbindung der Faserlagen 1 1 einen Vorformling zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils auszubilden. Durch eine Vernadelung der Kohlenstofffasern 12 werden die Kohlenstofffasern 12 teilweise umgelenkt und miteinander verschlungen, wobei die Faserlagen 1 1 verfilzt werden. Dabei sind die Faserlagen 1 1 aus einem Vlies ausgebildet. 1 shows a stack 10, which is formed from a plurality of fiber layers 11 arranged one above the other made of carbon fibers 12 in the form of dry continuous fibers, during a needling treatment, a structuring needle 13 of a needling device, not shown here, being brought into engagement with the carbon fibers 12 is used to form a preform from the stack 10 by connecting the fiber layers 1 1 to form a fiber composite component. By needling the carbon fibers 12, they become Carbon fibers 12 are partially deflected and intertwined with one another, with the fiber layers 11 being felted. The fiber layers 11 are formed from a fleece.
Die Fig. 2 zeigt eine Vernadelungsvorrichtung 14, welche durch einen mehrachsigen Roboter 14 ausgebildet ist, welcher einen Roboterarm 15 mit einem endseitigen Abschnitt 16 umfasst, welcher hier nicht gezeigte Strukturierungsnadeln aufweist, um einen Stapel 17 aus hier ebenfalls nicht gezeigten Faserlagen aus Kohlenstofffasern in Form von trockenen Endlosfasern, einer die Faserlagen miteinander verbindenden Vernade- lungsbehandlung zu unterziehen, um einen Vorformling zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils auszubilden. Dabei ist der rotationssymmetrisch ausgebildete Stapel 17 auf einem Tisch 18 angeordnet. 2 shows a needling device 14, which is formed by a multi-axis robot 14, which includes a robot arm 15 with an end section 16, which has structuring needles, not shown here, in order to form a stack 17 of fiber layers made of carbon fibers, also not shown here of dry continuous fibers to undergo a needling treatment that connects the fiber layers to one another in order to form a preform for forming a fiber composite component. The rotationally symmetrical stack 17 is arranged on a table 18.

Claims

Patentansprüche Verfahren zur Herstellung eines Vorformlings zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen, wobei ein Stapel (10, 17) aus zumindest zwei aus Kohlenstofffasern (12) ausgebildeten Faserlagen (11) ausgebildet wird, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kohlenstofffasern in Form von trockenen Endlosfasern verwendet werden, wobei der Stapel einer die Faserlagen miteinander verbindenden Vernadelungsbehandlung unterzogen wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass dem Stapel (10, 17) nach dem Unterziehen der Vernadelungsbehandlung mindestens einmal zumindest eine weitere Faserlage (11) aus den Kohlenstofffasern (12) in Form von trockenen Endlosfasern hinzugefügt wird, wobei der Stapel einer weiteren Vernadelungsbehandlung unterzogen wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Stapel (10, 17) ausschließlich aus den Faserlagen (11) aus den Kohlenstofffasern (12) in Form von trockenen Endlosfasern ausgebildet wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Stapel (10, 17) mit einer definierten geometrischen Form ausgebildet wird, wobei die Form infolge der Vernadelungsbehand- lung fixiert wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Faserlagen (11) aus einem Filamentgarn und/oder einem Faserhalbzeug ausgebildet werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Faserlagen (11) derart ausgebildet werden, dass die Kohlenstofffasern (12) in einer Faserlage in eine einzige Richtung verlaufen und/oder dass eine Richtung eines Faserverlaufs entlang einer Stapelrichtung betrachtet von Faserlage zu Faserlage zumindest teilweise variiert. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Stapel (10, 17) durch Wickeln mittels einer Wickelvorrichtung und/oder Legen mittels einer Legevorrichtung ausgebildet wird. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Stapel (10, 17) unter Anordnen der Faserlagen (11) an einem Formkern der Wickelvorrichtung oder der Legevorrichtung ausgebildet wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der Formkern bei der Ausbildung des Stapels (10, 17) und/oder bei der Vernadelungsbehandlung rotiert wird. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass der durch das Unterziehen des Stapels (10, 17) der Vernadelungsbehandlung erhaltene Vorformling nach der Vernadelungsbehandlung von dem Formkern entfernt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass infolge der Vernadelungsbehandlung ein Faserverlauf der Kohlenstofffasern (12) teilweise umgelenkt und/oder die Kohlenstofffasern teilweise beschädigt werden und/oder eine, vorzugsweise kontinuierliche, Faserstruktur der Kohlenstofffasern teilweise unterbrochen wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vernadelungsbehandlung in einer Richtung senkrecht zu einer Richtung eines Faserverlaufs der Kohlenstofffasern (12) erfolgt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vernadelungsbehandlung mittels einer, vorzugsweise elektrisch oder pneumatisch angetriebenen, Vernadelungsvorrichtung (14) durchgeführt wird, wobei zumindest eine Strukturierungsnadel (13) der Vernadelungsvorrichtung in den Stapel (10, 17) eintauchend in Eingriff mit den Kohlenstofffasern (12) gebracht wird. Verfahren zu Herstellung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Ausbildung des Faserverbundbauteils der nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellte Vorformling mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet, vorzugsweise infiltriert, wird. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Beschichten bzw. das Infiltrieren des Vorformlings mit dem pyrolytischen Kohlenstoff mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) bzw. chemischer Gasphaseninfiltration (CVI) erfolgt. Vorformling zur Ausbildung eines Faserverbundbauteils für Hochtemperaturanwendungen, wobei ein Stapel (10, 17) aus zumindest zwei aus Kohlenstofffasern (12) ausgebildeten Faserlagen (11) ausgebildet ist, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Kohlenstofffasern in Form von trockenen Endlosfasern verwendet sind, wobei der Stapel einer die Faserlagen miteinander verbindenden Vernadelungsbehandlung unterzogen ist. Faserverbundbauteil für Hochtemperaturanwendungen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass zur Ausbildung des Faserverbundbauteils der nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellte Vorformling mit pyrolytischem Kohlenstoff beschichtet, vorzugsweise infiltriert, ist. Faserverbundbauteil nach Anspruch 17, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Faserverbundbauteil zur Verwendung für eine Vorrichtung zur Kristallzüchtung, insbesondere als ein Tiegel, ausgebildet ist. Claims Method for producing a preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications, wherein a stack (10, 17) is formed from at least two fiber layers (11) made of carbon fibers (12), characterized in that the carbon fibers are used in the form of dry continuous fibers , whereby the stack is subjected to a needling treatment that connects the fiber layers to one another. Method according to claim 1, characterized in that after subjecting the stack (10, 17) to the needling treatment, at least one further fiber layer (11) made of the carbon fibers (12) in the form of dry continuous fibers is added at least once, the stack being subjected to a further needling treatment is subjected to. Method according to claim 1 or 2, characterized that the stack (10, 17) is formed exclusively from the fiber layers (11) from the carbon fibers (12) in the form of dry continuous fibers. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the stack (10, 17) is formed with a defined geometric shape, the shape being fixed as a result of the needling treatment. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber layers (11) are formed from a filament yarn and/or a semi-finished fiber product. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber layers (11) are formed such that the carbon fibers (12) in a fiber layer run in a single direction and / or that a direction of a fiber course is viewed along a stacking direction from fiber layer to fiber layer varies at least partially. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the stack (10, 17) is formed by winding using a winding device and/or laying using a laying device. Method according to claim 7, characterized in that the stack (10, 17) is arranged by arranging the fiber layers (11) on one Mold core of the winding device or the laying device is formed. Method according to claim 8, characterized in that the mold core is rotated during the formation of the stack (10, 17) and/or during the needling treatment. Method according to claim 7 or 8, characterized in that the preform obtained by subjecting the stack (10, 17) to the needling treatment is removed from the mold core after the needling treatment. Method according to one of the preceding claims, characterized in that as a result of the needling treatment a fiber course of the carbon fibers (12) is partially deflected and/or the carbon fibers are partially damaged and/or a, preferably continuous, fiber structure of the carbon fibers is partially interrupted. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the needling treatment takes place in a direction perpendicular to a direction of a fiber course of the carbon fibers (12). Method according to one of the preceding claims, characterized in that the needling treatment is carried out by means of a needling device (14), preferably electrically or pneumatically driven. is carried out, at least one structuring needle (13) of the needling device being immersed in the stack (10, 17) and brought into engagement with the carbon fibers (12). Method for producing a fiber composite component for high-temperature applications, characterized in that to form the fiber composite component, the preform produced according to one of claims 1 to 13 is coated with pyrolytic carbon, preferably infiltrated. Method according to claim 14, characterized in that the coating or infiltration of the preform with the pyrolytic carbon takes place by means of chemical vapor deposition (CVD) or chemical vapor phase infiltration (CVI). Preform for forming a fiber composite component for high-temperature applications, wherein a stack (10, 17) is formed from at least two fiber layers (11) made of carbon fibers (12), characterized in that the carbon fibers are used in the form of dry continuous fibers, the stack being one the fiber layers are subjected to needling treatment connecting each other. Fiber composite component for high temperature applications, characterized in that to form the fiber composite component, the preform produced according to one of claims 1 to 13 is coated, preferably infiltrated, with pyrolytic carbon. Fiber composite component according to claim 17, characterized in that the fiber composite component is designed for use in a device for crystal growth, in particular as a crucible.
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