DE2932201C2

DE2932201C2 -

Info

Publication number: DE2932201C2
Application number: DE2932201A
Authority: DE
Inventors: Bruno Lyon Fr Bompard
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1978-08-08
Filing date: 1979-08-08
Publication date: 1990-11-15
Also published as: JPS5851816B2; US4257835A; GB2028230B; FR2433003A1; DE2932201A1; JPS55117628A; GB2028230A; CA1121582A; FR2433003B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine dreidimensionale Textilstruktur besteht aus Fäden, Fasern, Maschen usw., die in der Struktur in drei unterschiedlichen, im allgemeinen zueinander senkrechten Richtungen ausgerichtet sind. Dies verleiht der Textilstruktur eine hohe mechanische Festigkeit, ein hervorragendes Wärmeisoliervermögen und einen guten Widerstand gegen Stöße und Abrieb, insbesondere, wenn die diese Struktur bildenden Fasern Hochleistungsfasern sind, wie Kohlenstoffasern, Graphitfasern usw.

So finden durch eine dreidimensionale Textilstruktur verstärkte Materialien zahlreiche Anwendungen, insbesondere für die Herstellung von Gegenständen mit einem großen Widerstand gegen Aufblättern, Stöße und Wärme. Derartige Gegenstände können z. B. als Bremsbeläge verwendet werden.

Ein Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional mit Fasern verstärkten Kunstharzgegenstandes betrifft die DE-AS 20 15 299. Dabei werden in parallel mit Abstand zueinander angeordnete härtbare Kunstharzplatten, die durch in einer Richtung verlaufende Fasern verstärkt sind, lange Fasern eingebracht, die in definiertem Abstand voneinander und senkrecht zu den Verstärkungsfasern der Kunstharzplatten verlaufen. Weiter werden in einer dritten Dimension Verstärkungsfasern mittels Nadeln eingebracht, worauf der Verbund zwischen zwei Formen ausgehärtet wird. Die Einführung der Fasern der dritten Richtung erfolgt durch Verdrängung von Material beim Nadeln. Dies hat zur Folge, daß keine ausreichende Dichte des Endprodukts erzielbar ist und daß diese vor allem nicht gleichmäßig über das Produkt verteilt ist. Außerdem kann ein derartiges Verfahren nur zur Herstellung von dreidimensionalen Textilstrukturen bei Gegenständen mit begrenzter Dicke führen. Diese weisen überdies eine gewisse Anzahl von Lücken auf, deren Vorhandensein sich bei den abschließenden Tränk- und Polymerisationsvorgängen als schädlich erweist.

Wenn der Zutritt des Harzes in die Struktur durch Kriechen längs der Fasern erfolgt, macht das Vorhandensein von Hohlräumen das vollständige Tränken schwierig. Überdies führen diese Lücken zu inhomogenen Gegenständen mit aus diesem Grund verminderten Eigenschaften, insbesondere bezüglich des Abriebwiderstands.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Herstellung eines dreidimensional mit Hochleistungsfasern verstärkten Materials nach der DE-AS 20 15 299 dahingehend zu verbessern, daß durch Einsatz einer vergleichsweise einfachen Vorrichtung ein Produkt beliebiger Dicke mit hoher und gleichmäßiger Dichte erzielbar ist.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das Verfahren nach der Erfindung weist insbesondere den Vorteil einer leichten Ausführbarkeit auf, da es keinerlei spezielles, komplexes und teures Material zur Bildung der dreidimensionalen Struktur benötigt. Dadurch, daß die dreidimensionale Struktur durch Einsetzen von Fasern hergestellt wird, die sich längs der dritten Richtung in Durchgängen erstrecken, die vorher in einem Stapel aus verdichteten Faserlagen gebildet wurden, wird überdies in maximaler Weise die Bildung von Hohlräumen in der Struktur begrenzt. Dies ermöglicht beim abschließenden Verdichtungsschritt ein zufriedenstellendes Tränken der Textilstruktur mit einem geeigneten Material und ein verstärktes Material mit einer Fasermaterialdichte, die in allen Zonen des Materials praktisch gleich und konstant ist.

Schließlich ermöglicht das Verfahren nach der Erfindung die Ausführung des Verdichtungsschritts ohne die Gefahr einer Abänderung der Ausrichtung und Verteilung der die dreidimensionale Textilstruktur bildenden Fasern.

Gemäß der Erfindung können die verwendeten Fasern aus natürlichen oder synthetischen Fasern bestehen, die in Form von gegebenenfalls verdrillten endlosen oder unterbrochenen Filamenten vorliegen. Beispiele für verwendbare Fasern sind Kohlenstoffasern, Graphitfasern, Glasfasern, Siliciumdioxidfasern und aromatische Fasern, wie Kevlar- Fasern.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der verschiedenen Herstellungsphasen eines Materials nach der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Elementarstruktur einer nach den Verfahren des Standes der Technik erzielten dreidimensionalen Textilstruktur;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Elementarstruktur des durch das Verfahren der Erfindung erzielten Materials.

In Fig. 1 sind die unterschiedlichen Phasen des Verfahrens nach der Erfindung zu erkennen. Die der Verstärkung dienende dreidimensionale Textilstruktur wird erhalten einerseits aus einem Stapel 1 von verdichteten Faserlagen 3 und 5, die so angeordnet sind, daß sich die Fasern der Faserlagen im Stapel in zwei Richtungen OX und OY erstrecken, und andererseits aus Fasern 7, die sich längs einer dritten Richtung OZ erstrecken.

Die Faserlagen 3 und 5 bestehen jeweils aus zueinander parallelen Fasern, wobei die Fasern der Faserlage 3 in der Richtung OX und die Fasern der Faserlage 5 in der Richtung OY ausgerichtet sind. Die Faserlagen werden vorher durch Tränken mittels eines polymerisierbaren Harzes und durch anschließendes teilweises Polymerisieren des Harzes verdichtet.

Selbstverständlich können die Faserlagen 3 und 5 durch ein bidirektionales Gewebe mit Kette und Schuß gebildet werden, in dem sich die Fasern in den Richtungen OX und OY erstrecken.

Die Faserlagen 3 und 5 sind mit Perforationen 9 versehen, die in den Faserlagen durch herkömmliche Techniken, z. B. durch Stanzen, gebildet wurden. Die Perforationen 9 der aufeinanderfolgenden Faserlagen decken sich in der Weise, daß sie im Stapel 1 in der Richtung OZ sich erstreckende Durchgänge bilden.

Wenn auch in der Zeichnung die Richtungen OX, OY und OZ zueinander senkrecht stehen, können sie ohne weiteres voneinander abweichen, insbesondere können die Perforationen 9 der aufeinanderfolgenden Faserlagen im Stapel schräg verlaufende Durchgänge bilden.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird der Stapel 1 dadurch gebildet, daß abwechselnd verdichtete Faserlagen 3 und 5 aufeinandergelegt und z. B. mittels eines Montagerahmens 11 zusammengehalten werden, damit die Perforationen 9 sich gut decken und durchlaufende Durchgänge bilden, die sich in der Richtung OZ erstrecken.

Dann werden in die Durchgänge 9 die Fasern 7 eingeführt, die vorzugsweise vorher in Form von Stangen vereinigt werden, die zuvor auf den Durchmesser der Perforationen derart kalibriert sind, daß sie den in den Durchgängen 9 verfügbaren Raum vollständig ausfüllen.

Diese Stangen können z. B. aus einer Anordnung von parallelen, verdichteten und durch ein präpolymerisiertes Harz zusammengehaltenen Fasern bestehen.

Nach dem Einführen der Fasern 7 in den Stapel wird die auf diese Weise erhaltene Anordnung in einer Presse kompakt gemacht. Dann erfolgt die Verdichtung der durch herkömmliche Verfahren kompakt gemachten Anordnung, z. B. durch Tränktechniken mittels polymerisierbarer Harze, etwa Epoxidharze, Phenolharze oder Polyesterharze, wobei diese Tränkbehandlung von einer Polymerisationsbehandlung des Harzes gefolgt wird, oder durch Niederschlag von pyrolytischem Kohlenstoff aus einem gasförmigen Kohlenwasserstoffstrom, etwa Methan oder Propan, oder auch noch durch Tränken mittels eines pyrolysierbaren Harzes, gefolgt von einer thermischen Pyrolysebehandlung des Harzes.

Fig. 2 und 3 zeigen eine Elementarmasche einer dreidimensionalen Struktur, hergestellt durch Webverfahren nach dem Stand der Technik bzw. eine Elementarmasche des durch das Verfahren nach der Erfindung erhaltenen Materials. Im Fall von Fig. 2 führt das Kreuzen dreier Reihen von Fasern 11, 13 und 15, die in den Richtungen OX, OY bzw. OZ ausgerichtet sind, zur Bildung von zwei diametral gegenüberliegenden Hohlräumen 16, die wenigstens 25% des theoretischen Gesamtvolumens einnehmen, das von den Fasern in dieser Elementarmasche eingenommen wird. Im Gegensatz hierzu führt im Fall von Fig. 3 das Kreuzen dreier Reihen von Fasern 3, 5 und 7, die in den Richtungen OX, OY bzw. OZ ausgerichtet sind, nicht zur Bildung von Hohlräumen oder Lücken in der Elementarmasche.

Somit gestattet das Verfahren nach der Erfindung die Erzielung von Materialien, in denen der Koeffizient für die Füllung mit Fasern maximal groß ist, während bei den bisherigen Verfahren das Vorhandensein von Lücken 16 in der dreidimensionalen Struktur nur zu inhomogenen Gegenständen führt, die in ihren faserfreien Zonen verminderte Eigenschaften haben.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel eines durch eine dreidimensionale Struktur aus Kohlenstoffasern verstärkten Materials gegeben.

Aus Kohlenstoffasern mit 3000 Filamenten von 7 Mikron Durchmesser und einer linearen Masse von 1060 detex wird ein Kohlenstoffgewebe mit 7,5 Fäden/cm in Kette und Schuß in Atlasbindung mit dem Wert 5 gewebt, wobei die Dichte des Kohlenstoffs den Wert 1,74 hat.

Das auf diese Weise hergestellte Gewebe wird mit einem Phenolharz in der Weise getränkt, daß der Volumenprozentsatz an Harz 30% beträgt. Dann wird das vorgetränkte Gewebe in Platten von 44 × 44 cm geschnitten. Diese Platten werden auf eine Heizpresse gelegt zur Polymerisation des Harzes und zur Zurückführung des Volumenprozentsatzes des Harzes auf 20%. Das überschüssige Harz wird natürlich durch einfaches Überfließen am Umfang der Platte beseitigt. Man erhält auf diese Weise verdichtete Platten mit einer Dicke von 0,3 mm.

Nach dieser Polymerisationsbehandlung werden die erhaltenen Platten zu Platten von 22 × 22 cm geschnitten unter Beachtung der Ausfluchtung der Kett- und Schußfäden während des Schneidens. Dann wird jede Platte von 22 × 22 cm in eine Lochstanze gelegt, die hundert regelmäßig und geradlinig mit Abständen von 1 mm verteilte Lochstempel mit einem Durchmesser von 1 mm aufweist. In jeder Platte wird nach einer Verschiebung der Lochstanze durch hundertfache Wiederholung dieses Vorgangs an derselben Platte einer Lochreihe in der Weise hergestellt, daß Platten von 22 × 22 cm mit 10 000 regelmäßig verteilten Löchern erhalten werden.

Die auf diese Weise erhaltenen Platten haben die folgenden Eigenschaften:

Gewicht je m² Fasern vor der Perforation
295 g/m²
Gewicht je m² Fasern nach der Perforation	237 g/m²

Nachdem auf diese Weise 650 Platten von 22 × 22 cm perforiert sind, werden sie im in Fig. 1 dargestellten Montagerahmen gestapelt zur Erzielung eines Blocks von 22 × 22 cm Grundfläche und 26 cm Höhe.

In die Durchgänge, die durch die vollkommen ausgefluchteten Löcher der Platten gebildet sind, werden verdichtete, begradigte Stangen eingeführt. Diese Stangen sind aus teilweise polymerisierten, harzgetränkten Kohlenstoffsträngen hergestellt und haben einen Durchmesser von 0,95 mm und einen Titer von 12 000 detex.

Nach dem Einführen dieser begradigten Stangen wird die Anordnung durch Klemmplatten kompakt gemacht und die Dicke des Blocks auf 20 cm zurückgeführt. Dabei wird er einer Verdichtung unterworfen, indem er mit einem Phenolharz getränkt und dann einer Carbonisationsbehandlung unterworfen wird.

Der auf diese Weise erhaltene Block hat nach der Verdichtungsbehandlung die folgenden Eigenschaften:

Dichte des Materials (nur Fasern)\|1,09
Dichte des Kohlenstoffs	1,74
Prozentsatz an Fasern	63%
Verteilung der Fasern in Richtung OX	38,5%
Verteilung der Fasern in Richtung OY	38,5%
Verteilung der Fasern in Richtung OZ	23%
Teilung (Abstand der Fasern untereinander)	0,3 × 2 × 2

Somit weist das erhaltene Material eine sehr wichtige Besonderheit auf, die sich durch eine extreme Feinheit der Teilung zwischen den Fäden der Richtungen OX und OY auszeichnet. Diese Feinheit der Teilung erweist sich als sehr wichtig, da ein Material mit fein verteilter Porosität erhalten wird.

Wenn auch bei diesem Beispiel Faserlagen aus einem bidirektionalen Gewebe verwendet wurden, können selbstverständlich diese Faserlagen ersetzt werden durch Lagen mit parallelen Fasern mit beispielsweise einer Dicke von 100 Mikron oder auch durch z. B. Textillagen in Form von dickem Gewebe, triaxialem Gewebe oder Filz. Der Stapel kann außerdem dadurch hergestellt werden, daß Faserlagen aus einem bidirektionalen Gewebe und Lagen mit parallelen Fasern übereinandergelegt werden.

Bei Verwendung von Lagen mit parallelen Fasern können diese Lagen im Stapel in der Weise angeordnet werden, daß z. B. die Ausrichtung von fünf aufeinanderfolgenden Lagen in der Weise abgeändert wird, daß die Fasern in diesen Lagen in der OX- Richtung und dann unter Winkeln von 30°, 45°, 60° gegenüber der OX-Richtung und schließlich in der OY-Richtung angeordnet werden, was eine weitere Verbesserung der Feinheit der erhaltenen Teilung ermöglicht.

Das Verfahren nach der Erfindung hat somit eine große Flexibilität und kann an die Herstellung verschiedener Materialien umso mehr angepaßt werden, als auch die Art der Fasern variiert werden kann, die in den den Stapel bildenden Lagen und in den in der dritten Richtung eingesetzten Stangen verwendet werden, wobei die verschiedenen Fasern in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden können.

Schließlich ermöglicht das Verfahren nach der Erfindung die Herstellung von Gegenständen gewünschter Form, entweder unmittelbar, z. B. durch Wickeln von perforierten Faserlagen auf einem Dorn geeigneter Form vor dem Einsetzen der sich in der dritten Richtung erstreckenden Fasern, oder indirekt durch anschließendes Umwandeln eines durch das Verfahren nach der Erfindung erhaltenen Gegenstands durch Bearbeiten.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Materials, bestehend aus durch dreidimensional verlaufende Hochleistungsfasern verstärktem, härtbarem Harz, dadurch gekennzeichnet,

- daß mit teilweise polymerisiertem Harz imprägnierte verdichtete Faserlagen aufeinanderliegend gestapelt werden, wobei die Fasern benachbarter Faserlagen im Stapel sich längs wenigstens zweier Richtungen, einer ersten und einer zweiten Richtung in der Ebene der Faserlage erstrecken,
- daß die einzelnen Faserlagen mit Perforationen versehen sind, die im Stapel in einer dritten Richtung sich erstreckende Durchgänge bilden,
- daß in der dritten Richtung sich erstreckende, mit teilweise polymerisiertem Harz imprägnierte Fasern in die Durchgänge eingesetzt werden und
- daß die auf diese Weise erhaltene Verbundanordnung verdichtet und ausgehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlagen im Stapel übereinandergelegt und dann zur Bildung der Durchgänge perforiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserlagen zuerst perforiert und dann unter Bildung der Durchgänge übereinandergelegt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichteten Faserlagen aus einem verdichteten bidirektionalen Gewebe gebildet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichteten Faserlagen aus verdichteten parallelen Fasern gebildet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß verdichtete Faserlagen übereinandergelegt werden, die aus einem verdichteten bidirektionalen Gewebe und aus durch verdichtete parallele Fasern gebildeten Faserlagen bestehen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichteten Faserlagen mit einem polymerisierbaren oder pyrolysierbaren Harz getränkt und anschließend das Harz teilweise polymerisiert oder pyrolysiert wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die Durchgänge des Stapels die in der dritten Richtung sich erstreckenden Fasern in Form von auf die Durchgänge kalibrierte Stangen eingesetzt werden, die aus einer Anordnung von parallelen verdichteten Fasern bestehen und durch ein präpolymerisiertes Harz zusammengehalten werden.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Harz aus einer Gruppe von Phenolharzen, Epoxidharzen, Polyesterharzen und Polyvinylacetat gewählt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß aus einem Strom von gasförmigem Kohlenwasserstoff pyrolytischer Kohlenstoff auf die Faserlagen abgelagert wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus einer Gruppe von Kohlenstoffasern, Graphitfasern, Glasfasern, Siliciumdioxidfasern und aromatischen Fasern gewählt werden.