DE3210746C2

DE3210746C2 - Verfahren zur Herstellung eines faserverstärkten Faserverbundwerkstoffes

Info

Publication number: DE3210746C2
Application number: DE19823210746
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. 8000 München Heißler; Wolfgang Dr.rer.nat. 8150 Holzkirchen Scheer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: MT Aerospace AG
Priority date: 1982-03-24
Filing date: 1982-03-24
Publication date: 1986-09-18
Also published as: DE3210746A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes aus Kohlenstoffasern, die mit einem Materixmaterial getränkt und zu einem Werkstoff gewickelt werden. Das Matrixmaterial wird durch Einmischen von pulverförmigem 4,4Δ-Diamino-diphenyl-sulfon in Bis-phenol-A-diglycidylether hergestellt. Die Aushärtung des Werkstoffes erfolgt durch mehrstündige Wärmebehandlung zwischen 110 und 160 ° C. Der Werkstoff ist für hohe Belastungen ausgesetzte Gegenstände geeignet, wie Rotoren und Zug-Druck-Streben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes aus Kohlenstoffasern und Epoxidharz.

Faserverstärkte Werkstoffe haben allgemein Bedeutung erlangt und es wurden bereits zahheiche Zusammensetzungen für die verschiedensten Anwendungshereiche entwickelt.

Vielfach werden für das Matrixmaterial Epoxidharze verwendet und unter Einbringen von Fasern aus z. B. Bor, Glas und anderen auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmt.

Es gibt Anwendungsbereiche wie z. B. hochtourig drehende Körper, insbesondere Wellen und Rotoren, und/oder auf Zug und Druck belastete Gegenstände, bei denen sehr hohe Anforderungen an den Werkstoff gestellt werden, um den auferlegten Zentrifugalkräften bzw. Lasten stand zu halten. Neben der hohen Festigkeit und Reißlänge sollte das Material ein möglichst geringes spezifisches Gewicht, hohe Steifigkeit und eine Temperaturbeständigkeit >80°C aufweisen. Diese Eigenschaften konnten mit den bisher bekannten Verbundwerkstoffen jeweils nur zum Teil erreicht werden.

Aus der DE-OS 28 12 289 ist ein Verfahren bekannt, mit dem ein kohlenstoffaserverstärkter Werkstoff hergestellt wird, dessen Matrix 4,4'-Diamino-diphenyI-methan und Hexahydrophthalsäure-diglycidylester enthält. Diesei· Werkstoff erfüllt zwar die obigen Eigenschaften mit einer Temperaturbeständigkeit bis etwa 80⁰C, aber es hat sich herausgestellt, daß das Material für Anwendungen mit hoher Belastung ungeeignet ist, da das Material Kriechneigungen aufzeigt

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff der eingangs genannten Art herzustellen, der neben einer sehr hohen Festigkeit und einem geringen spezifischen Gewicht möglichst keine Kriecheigenschaften aufweist

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Ansprach 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst

Der durch dieses Verfahren hergestellte Werkstoff weist ausgezeichnete mechanische Eigenschaften auf. Es hat sich auch herausgestellt, daß der Werkstoff eine Wärmebeständigkeit bis zu 140⁰C hat und hochvakuumfest ist Die Matrix besitzt bis mindestens 80⁰C nur eine sehr geringe Kriechneigung, da der Glasübergang bei ca. 190⁰C liegt

Außerdem hat die Matrix eine gute Haftung zur Faseroberfläche, so daß Fasern mit und ohne einer speziellen Oberflächenbehandlung eingesetzt werden können.

Im Handei sind Fasern erhältlich, die sich entweder

durch hohe Festigkeit und Reißlängenwerte, oder durch einen hohen Elastizitätsmodul bei geringerer Festigkeit aaszeichnen. Mit dem erfindungsgemäßen Matrixmaterial lassen sich beide Fasertypen innerhalb eines einzigen Verbundwerkstoffes verwenden, weil das Matrixmaterial eine ausreichend hohe Bruchdehnung aufweist, um die durch die unterschiedlichen Fasereigenschaften verursachten Eigenspannungen ohne Rißbildung ausgleichen zu können.

Das Matrixmaterial kann vorzugsweise durch Einmischen von pulverförmigem aromatischen Diamin in auf 125⁰C erhitzten Bis-phenol-A-diglycidylether hergestellt werden.

Bei der Herstellung von Werkstoffen und den Faserwickelverfahren ist es vorteilhaft, daß die Kohlenstoffaserr. durch eine das Matrixmaterial enthaltende Tränkvorrichtung gezogen werden und dann zur Bildung des Werkstoffes auf einen entsprechend geformten und auf einen etwa 85⁰C vorgeheizten Kern aufgewickelt werden, und daß der so hergestellte Werkstoff einer Wärniebehandlung unterzogen wird.

Es ist vorteilhaft, einen Kern aus Aluminium zu verwenden, der aufgrund seiner hohen Temperaturdehnung nach dem Erkalten stärker als das Verbundteil schrumpft und sich ohne weiteres herausziehen läßt

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von Rotationskörpern und/ oder Streben, die auf Zug, Druck, Torsion und Biegung belastet werden.

Die ausgezeichneten Eigenschaften des erfindungsge· !mäßen Werkstoffes erlauben auch die Anwendung desselben für sehr stark beanspruchte Gegenstände, wobei durch gezielte Faserorientierung richtungsabhängige Steifigkeilen eingebracht werden können*

Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines Beispieles näher erläutert.

Es wird ein zylindrischer Aluminiumdörn oder -kern

mit entsprechendem Durchmesser hergestellt, auf einer Wickelmaschine eingespannt und auf 85° C durch Innenheizung erhitzt Zur Herstellung des Matrixmaterials wild der Bi-phenol-A-diglycidylether auf 125°C erhitzt und das als Härter dienende ^'-Diamino-diphenyl-sulfön in Pulverform im stöchiometrischen Verhältnis beigemischt. Diese so erhaltene Matrixmaterialmasse wird in eine Tränkwanne eingefüllt und auf 85° C gehalten. Von Faserspulen werden die Kohlenstoffasem durch die Tränkwanne gezogen und auf den vorgewärmten Kern in einer oder mehreren Lagen zu einem Werkstoff, wie z. B. einem Rohr, aufgewickelt

Es hat sich gezeigt, daß eine gute Benetzbarkeit zwischen Faser und Matrix besteht so daß bei diesem Verfahren eine kontinuierlich benetzte Faser gewährleistet ist

Nach dem Wickelprozeß wird der Werkstoff samt dem Kern einem Härtezyklus unterworfen. Hierfür wird das Gebilde zunächst 6 Stunden auf 110° C, in 3 Stunden auf 160° C erhitzt Bsi dieser Temperatur wird das Bauteil 12 Stunden lang gehalten, um den Aushärtungsprozeß zu vervollständigen.

Aufgrund der stärkeren Wärmedehnung des Aluminiums läßt sich der Dorn bzw. der Kern nach dem Erkalten des Gebildes einfach herausziehen. Es ist selbstverständlich auch möglich, Hohl- oder andere -körper nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herzustellen, und auch solche Körper, bei denen es nicht unbedingt erforderlich ist, den Kern vom Verbund zu trennen. In diesen Fällen wird man die Wahl des Kernmaterials auf den Anwendungsfall rich*en und/oder so treffen, daß möglichst keine Wärmedehnungsunterschiede zwischen Verbund und Kern bestehen.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundwerkstoffes aus Kohlenstoffasern und Epoxidharz, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern in ein Gemisch aus stöchiometrischen Mengen 4, 4'-Diamino-diphenyl-sulfon und Bis-phenol-A-digiycidylether eingebettet werden und dann das Harz gehärtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch durch Einmischen von pulverfönnigem aromatischen Diamin in auf 125°C erhitzten Bis-phenol-A-diglycidylether hergestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffasern durch eine das Gemisch enthaltende Tränkvorrichtung gezogen und auf einen bis auf etwa 85° C vorgeheizten Kern aufgewickelt werden, und daß der so hergestellte Werkstoff einer Wärmebehandlung unterzogen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aluminiumkern verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch während des Wickelvorganges auf etwa 85° C gehalten wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der fertig gewickelte Werkstoff zur Aushärtung auf Temperaturen zwischen 85 und 160° C erhitzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für den Härtungsprozeß der Werkstoff ca. 6 Stunden lang auf etwa 11O⁰C, in ca. 3 Stunden auf etwa 160⁰C und ca. 12 Stunden auf etwa 160⁰C gehalten wird.

8. Verfahren nach einen; der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern nach dem Erkalten des Bauteiles entfernt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines Rotationskörpers.

10. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch die Anwendung des Verfahrens zur Herstellung eines belastbaren Körpers, insbesondere einer Zug-Druck- und/oder Torsionsstrebe.