DE19812912A1 - Verfahren zur Herstellung von carbonfaserverstärktem Verbundmaterial - Google Patents
Verfahren zur Herstellung von carbonfaserverstärktem VerbundmaterialInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur
Herstellung eines carbonfaserverstärkten Verbundmaterials, das
die Formgebung einer Harzzusammensetzung direkt auf einem
Grundmaterial ohne die Verwendung eines Primers umfaßt.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung eines carbonfaserverstärkten Verbundmaterials,
das zur Verwendung als hitzeresistentes Strukturmaterial, als
Gleitmaterial, als Naß- oder Trockenreibschlußmaterial oder
dergleichen geeignet ist, wie etwa dem gleitenden Teil eines
Synchronisatorrings für ein Fahrzeug oder einem
Naßreibschlußmaterial für eine Automatik.
Der wesentliche Stand der Technik, der die Verbindung
eines faserverstärkten Verbundmaterials mit verschiedenen
Materialien betrifft, bestand in der anfänglichen Formgebung
eines faserverstärkten Verbundmaterials, und in der
anschließenden Verbindung des Verbundmaterials mit verschiedenen
Materialien mittels eines Primers (einer klebenden Schicht oder
einer spannungsabbauenden Schicht) der üblicherweise aus
derselben Harzsorte besteht, wie sie das Verbundmaterial umfaßt.
Ein solcher Stand der Technik ist in der Patentliteratur
offenbart, wie etwa in den im Patentblatt offengelegten
japanischen Patentanmeldungen mit den Nr. Sho 51-125133
(125133/76) , Hei 1-149877 (149877/89) und Hei 1-279987
(279987/89).
Jedoch bedarf das obige Verfahren der Aufbringung und der
Trocknung eines Primers, was zu einer erhöhten Anzahl von
Verfahrensschritten und einer verlängerten Produktionsdauer
führt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die
Bereitstellung eines vereinfachten und zeitlich verkürzten
Verfahrens zur Herstellung eines carbonfaserverstärkten
Verbundmaterials, ohne daß eine besondere Klebe- oder
spannungsabbauende Schicht benötigt wird.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung eines carbonfaserverstärkten
Verbundmaterials, das die Formgebung einer sowohl die
Carbonfasern als auch die Harzmatrix umfassenden
Harzzusammensetzung mittels Spritzguß oder Formpressen ohne die
Verwendung irgendeines Primers direkt auf einem Grundmaterial
umfaßt.
Die Carbonfasern, die bei der vorliegenden Erfindung
verwendet werden, können beliebig aus Carbonfasern auf
Pechbasis, aus Carbonfasern auf PAN-Basis, und aus Carbonfasern
auf Rayonbasis und dergleichen ausgewählt werden. Jedoch werden
Carbonfasern auf Pechbasis bevorzugt, weil ein Verbundmaterial,
das dieselben enthält, einen Formkörper ergibt, der eine
ausgezeichnete Haftung am Grundmaterial aufweist.
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten
Carbonfasern haben die Form kontinuierlicher Fasern, kurzer
Fasern oder Faserbündeln, Whiskern oder dergleichen. Zur
Verwendung beim Spritzguß gelangen üblicherweise kurze Fasern
mit einer Länge von 1 bis 10 mm, vorzugsweise 3 bis 8 mm.
Die zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung
bestimmten Carbonfasern können physikalisch oder chemisch
behandelt sein, um deren Haftfestigkeit am Harz und am
Grundmaterial zu erhöhen. Die physikalischen oder chemischen
Behandlungen umfassen Oberflächenbehandlungen und Spleißung, wie
etwa elektrolytische Oxidation, Corona-Behandlung, Aufgabe einer
Appretur ["sizing agent"] und Ultraschallbestrahlung.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Carbonfasern
zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung beträgt
üblicherweise -0,2×10-5 bis 0/K, vorzugsweise -0,2×10-5 bis
-0,12×10-5/K, besonders bevorzugt -0,17×10-5 bis -0,14×10-5/K.
Der Elastizitätsmodul der Carbonfasern zur Verwendung bei
der vorliegenden Erfindung beträgt üblicherweise 10 bis
1.000 GPa, vorzugsweise 200 bis 900 GPa, besonders bevorzugt 400
bis 800 GPa.
Die Wärmeleitfähigkeit der Carbonfasern zur Verwendung
bei der vorliegenden Erfindung beträgt üblicherweise 10 bis
800 W/mK, vorzugsweise 30 bis 600 W/m.K.
Der Gehalt an Carbonfasern in einem
Carbonfaser/Harzformkörper beträgt üblicherweise 1 bis 90
Volumenprozent, vorzugsweise 10 bis 70 Volumenprozent, und
besonders bevorzugt 20 bis 60 Volumenprozent des Gesamtvolumens
des Formkörpers.
Das Matrixharz, das bei der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, kann wärmeresistentes Harz sein, vorzugsweise
wärmehartbares Harz, insbesondere Phenol- oder Epoxyharz oder
dergleichen.
Das Matrixharz hat nach der Härtung einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von üblicherweise 1×10-5 bis 10×10-5/K,
vorzugsweise 1×10-5 bis 5×10-5/K.
Die bei der vorliegenden Erfindung verwendete
Harzzusammensetzung kann neben den Carbonfasern und der Matrix,
wie sie oben beschrieben sind, Reibungswandler, anorganische
Zuschläge und Fasern enthalten, die keine Carbonfasern sind.
Die Reibungswandler umfassen Metallpulver, Gummipulver,
Anacardiumpulver und Graphitpulver. Der Gehalt an
Reibungswandler in der Harzzusammensetzung beträgt üblicherweise
0,1 bis 5 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteilen der Summe aus
Carbonfasern und Matrixharz, die von der Zusammensetzung umfaßt
werden.
Die anorganischen Zuschläge umfassen Silica, Talcum,
Calciumcarbonat, Magnesiumoxid, Kaolin, Bariumsulfat,
Kaliumphosphat und Diatomeenerde. Der Gehalt an anorganischem
Zuschlag in der Harzzusammensetzung beträgt üblicherweise 0,1
bis 5 Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteilen der Summe aus
Carbonfasern und Matrixharz, die von der Zusammensetzung umfaßt
werden.
Die von den Carbonfasern verschiedenen Fasern können
organische oder anorganische Fasern sein und umfassen
vorzugsweise Polyamidfasern, Polyesterfasern, Acrylfasern,
Glasfasern, Aluminiumoxidfasern, Metallfasern und
Siliziumcarbidfasern. Der Gehalt an diesen anderen Fasern in der
Harzzusammensetzung beträgt üblicherweise 0,1 bis 50
Gewichtsteile pro 100 Gewichtsteilen der Summe aus Carbonfasern
und Matrixharz, die von der Zusammensetzung umfaßt werden.
Das Grundmaterial, das bei der vorliegenden Erfindung
verwendet wird, ist üblicherweise Keramik oder Metall, d. h. es
umfaßt Gußeisen, Kohlenstoffstahl, rostfreien Stahl,
Nickelstahl, Nickelmolybdänstahl, Chromnickelstahl,
Chrommolybdänstahl, Chromstahl, Superlegierungen,
Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen, Magnesiumlegierungen,
Nickellegierungen, Zinklegierungen, Titanlegierungen und
superharte Legierungen. Das Grundmaterial kann eine
plattenförmige, zylindrische oder kompliziertere Form je nach
der Verwendung des Endproduktes aufweisen.
Das Grundmaterial kann einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von 0,9×10-5 bis 4×10-5/K aufweisen.
Der Unterschied im thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen dem Carbonfaser/Harz-Formkörper und dem Grundmaterial
beträgt üblicherweise 0 bis 5×10-6/K, vorzugsweise 0 bis 2×10-6/K.
Die Oberfläche des Grundmaterials kann verschiedenen
Behandlungen zur Vergrößerung der Oberflächenrauhigkeit, wie
etwa dem Raspeln oder Schleifen, unterworfen werden, und dadurch
wird die Haftung des Carbonfaser/Harz-Formkörpers darauf
verbessert.
Der Spritzguß oder das Formpressen kann gemäß
herkömmlichen Verfahren durchgeführt werden; besondere Beispiele
hierfür sind unten beschrieben.
Im Falle des Spritzgusses wird eine Form verwendet, die
die gleiche Innenform aufweist, wie die gewünschte Form des
Endproduktes. Die Form weist einen Raum auf, in den ein
metallisches Material, das als Haftgrundkörper (Grundmaterial)
diente hineingelegt wird, und einen Raum, in den eine
Speisemasse aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFRP,
"carbon-fiber-reinforced plastic") eingespritzt wird. Die Form
weist ferner ein Loch zum Einspritzen der CFRP Speisemasse durch
dieses hindurch in die Form auf, und eine Öffnung, um das
während der CFRP Verspritzung erzeugte Gas zu entlüften. Ein
metallisches Material wird in die Form eingebracht und eine CFRP
Speisemasse wird in die Form hineingespritzt, um CFRP auf das
metallischen Material aufzuformen. Die innere Oberfläche der
Form sollte beschichtet oder anderswie behandelt sein, um die
Oberflächenglätte zu verbessern, so daß der CFRP nirgends außer
am metallischen Material haftet. Die Formtemperatur beträgt
üblicherweise 140 bis 250°C, vorzugsweise 150 bis 200°C. Der
Druck bei der Speisemassenextrusion beträgt üblicherweise 50 bis
180 kgf/cm2 vorzugsweise 90 bis 160 kgf/cm2.
Im Falle des Formpressens wird die Speisemasse auf einem
metallischen Material dispergiert und dann uniachsial unter
Erwärmung verpreßt, um den gewünschten Formkörper zu ergeben.
Die Formtemperatur beträgt üblicherweise 140 bis 250°C,
vorzugsweise 150 bis 200°C. Der Preßdruck beträgt üblicherweise
50 bis 180 kgf/cm2, vorzugsweise 90 bis 160 kgf/cm2.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist
beispielsweise für die Herstellung von Synchronisatorringen
anwendbar. Bei dieser Anwendung wird zur Formgebung des CFRP
eine CFRP Speisemasse direkt auf einen Synchronisator
aufgespritzt, wodurch das Herstellungsverfahren vereinfacht wird
und wodurch die Produktionskosten und die Produktionszeit
vermindert werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf
Beispiele beschrieben, die nicht als den Schutzumfang der
Erfindung einschränkend auszulegen sind.
40 Volumenprozent kurze Carbonfasern auf Pechbasis mit
einem thermischen Ausdehnungseffizienten von -1,4×10-6/K, einer
Wärmeleitfähigkeit von 100 W/m-K, einem Elastizitätsmodul von
390 GPa und einer Länge von 5 mm wurden mit 60 Volumenprozent
Phenolharz mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
2,2×10-5/K nach der Härtung vermischt. Die erhaltene
Carbonfaser/Harz-Mischung wurde in Spritzgußtechnik an die
Oberfläche eines metallischen Materials gebunden, das einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1,2×10-5/K aufwies. Die
beiden verbundenen Teile konnten mit einem Kratzer nicht leicht
voneinander abgelöst werden.
40 Volumenprozent Glasfasern mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von 5,0×10-6/K, einer Wärmeleitfähigkeit
von 1 W/mK, einem Elastizitätsmodul von 74 GPa und einer Länge von
4 mm wurden mit 60 Volumenprozent Phenolharz mit einem
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 2,2×10-5/K nach der
Härtung vermischt. Die resultierende Glasfaser/Harz-Mischung
wurde in Spritzgußtechnik an die Oberfläche eines metallischen
Materials gebunden, das einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von 1,2×10-5/K aufwies. Es wurde
beobachtet, daß der so erhaltende Glasfaser/Harz-Formkörper und
das metallische Material einen dazwischenliegenden Spalt
aufwiesen und daß sie leicht mit einem Kratzer von einander
abgelöst werden konnten.
40 Volumenprozent kurze Carbonfasern auf Pechbasis mit
einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von -1,44×10-6/K,
einer Wärmeleitfähigkeit von 170 W/mK einem Elastizitätsmodul von
490 GPa und einer Länge von 6 mm wurden mit 60 Volumenprozent
Phenolharz vermischt, das einen thermischen
Ausdehnungskoeffizienten von 2,2×10-5/K nach der Härtung aufwies.
Die erhaltene Carbonfaser/Harz-Mischung wurde in
Spritzgußtechnik an die Oberfläche eines metallischen Materials
gebunden, das einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von
1,2×10-5/K aufwies. Die beiden verbundenen Teile konnten mit
einem Kratzer nicht leicht voneinander abgelöst werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine
Harzzusammensetzung, die Carbonfasern und ein Matrixharz umfaßt,
unmittelbar und ohne Verwendung irgendeines Primers auf
Grundmaterialien, wie einem metallisches Material, mittels
Spritzguß oder Formpressen aufgeformt, wodurch eine
Vereinfachung des Herstellungsverfahrens, eine Verkürzung der
Produktionszeit und eine Verbesserung der Haftung zwischen dem
resultierenden Carbonfaser/Harz-Formkörper und dem metallischen
Material möglich werden. Diese Erfindung stellt daher ein
Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials bereit, das auf
stabile Weise verwendet werden kann, ohne daß die Abschälung des
Formkörpers vom Grundmaterial eintritt, selbst dann wenn es als
Reibschlußmaterial oder dergleichen verwendet wird, das bei
hohen Temperaturen Spannungen in paralleler Richtung zu der
Verbundoberfläche zwischen dem Formkörper und dem Grundmaterial
unterworfen wird.
Herkömmlicherweise betrug die Zeit zum Spritzguß eines
faserverstärkten Verbundmaterials auf ein Grundmaterial 15 bis
30 Minuten, d. h. das herkömmliche Verfahren umfaßt die Schritte
des Verstreichens eines Primers, wie etwa von Phenol- oder
Epoxyharz auf dem Grundmaterial, das Trocknen der verstrichenen
Primerbeschichtung und dann den Spritzguß des Verbundmaterials
auf die getrocknete Primerschicht. Andererseits benötigt das
Spritzgußverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung nur etwa 0,5
bis 1 Minute, da keine Notwendigkeit für die Aufgabe und die
Trocknung eines Primers besteht.
Claims (15)
1. Verfahren zur Herstellung eines carbonfaserverstärkten
Verbundmaterials, das den Schritt der Formgebung einer
Harzzusammensetzung, die Carbonfasern und ein Matrixharz umfaßt,
mittels Spritzguß oder Formpressens direkt auf einem
Grundmaterial ohne die Verwendung irgendeines Primers umfaßt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Carbonfasern
physikalisch oder chemisch behandelt worden sind, bevor sie mit
dem Matrixharz vermischt werden, und wobei die Behandlung aus
der Gruppe gewählt ist, die aus elektrolytischer Oxidation,
Corona-Behandlung, Aufgabe einer Appretur und
Ultraschallbestrahlung besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche des
Grundmaterials geraspelt oder geschliffen wird, bevor die
Oberfläche an die Harzzusammensetzung gebunden wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ausgeformte
Harzzusammensetzung ein Material ist, das aus der Gruppe gewählt
ist, die aus einem hitzeresistenten Strukturmaterial, einem
Gleitmaterial und einem Naß- oder Trockenreibschlußmaterial
besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die ausgeformte
Harzzusammensetzung ein Material ist, das aus der Gruppe gewählt
ist, die aus einem Gleitteil eines Synchronisatorrings für
Fahrzeuge und einem Naßreibschlußmaterial für eine Automatik
besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die
Harzzusammensetzung die Carbonfasern in einer Menge enthält, die
von 1 bis 90 Volumenprozent des Gesamtvolumens der
Zusammensetzung reicht.
7. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Carbonfasern
solche auf Pechbasis sind.
8. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das
Formgebungsverfahren Spritzguß ist und wobei die Carbonfasern
kurze Fasern mit einer Länge von 1 bis 10 mm sind.
9. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Carbonfasern
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von -0,2x10-5 bis 0/K
aufweisen.
10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Carbonfasern
einen Elastizitätsmodul von 10 bis 1.000 GPa aufweisen.
11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Carbonfasern
eine Wärmeleitfähigkeit von 10 bis 800 W/m-K aufweisen.
12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Matrixharz ein
thermisch härtbares Harz ist.
13. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Matrixharz einen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 1×10-5 bis 10×10-5/K
aufweist, nachdem das Harz gehärtet wurde.
14. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Grundmaterial
einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 0,9×10-5 bis 4×10
-5/K aufweist.
15. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die ausgeformte
Harzzusammensetzung und das Grundmaterial einen Unterschied im
thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 0 bis 5×10-6/K
aufweisen.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: NIPPON MITSUBISHI OIL CORP., TOKIO/TOKYO, JP |
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8141 | Disposal/no request for examination |