DE2337130A1

DE2337130A1 - Verbundmaterial auf der basis von kohlenstoffasern

Info

Publication number: DE2337130A1
Application number: DE19732337130
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: Hyfil Ltd; Cotton Silk and Man Made Fibres Research Association
Current assignee: Hyfil Ltd; Cotton Silk and Man Made Fibres Research Association
Priority date: 1972-07-21
Filing date: 1973-07-20
Publication date: 1974-01-31
Also published as: FR2196966B3; US3971669A; CA1028465A; FR2196966A1; JPS4962768A; GB1447029A

Description

:. HYFIL LIMITED in Hucknall, England

THE COTTON SILK AND MAN-MADE FIBRES BESEARCH ASSOCIATION

in Manchester, England

Verbundmaterial auf der Basie von Kohlenstoffasern

Die Erfindung betrifft Verbundmaterialien bzw. zusammengesetzte Strukturen auf der Basis von Kohlenstoffasern sowie Verfahren und Vorrichtungen zu ihrer Herstellung. Unter der Bezeichnung "Kohlenstoffaser-Verbundmaterialien" ist ein Produkt zu verstehen, das ein Material, insbesondere ein synthetisches Harz umfaßt, innerhalb dessen die Kohlenstoffasern eingebettet sind. Die Wirkung des Harzes besteht primär darin, dem Verbundmaterial die erforderliche äußere

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Abmessung und Form zu geben, während die primäre Funktion der Kohlenstoffasern in der Schaffung der erforderlichen Festigkeit besteht,.

Die Herstellung von Kohlenstoffaser-Verbundmaterialien, die andere als einfache flache plattenartige Formen aufweisen, ist mit verschiedenen Problemen verbunden« Während einerseits Kohlenstoffaseranordnungen in der Form von Filzen aus regellos orientierten oder in einer Reihe ausge— richteten kurzen Kohlenstoffasern die erforderliche Drapierung (drape) aufweisen, so daß sie in leichter Weise zu komplizierten Formen geformt werden können, insbesondere solchen Formen, die Krümmungen in zwei oder mehr Richtungen einschließen, erweist sich bei der Verwendung dieser Kohlenstoffasern in Verbundmaterialien, daß die Eigenschaften eines derartigen Materials unter verschiedenen wesentlichen Gesichtspunkten, insbesondere bezüglich der Zugfestigkeit, der Biegefestigkeit und des Moduls, im allgemeinen unbefriedigend sind, Während andererseits die erforderlichen Festigkeitseigenschaften erreicht werden können, indem man Anordnungen von endlosen Kohlenstoffasern verwendet, ist die Herstellung derartiger Anordnungen, die die erforderliche Handhabbarkeit und Drapierung (drape) zur Verwendung bei der Herstellung von Verbundmaterialien mit den

aui'weisen

bereits genannten komplizierteren Formen/~mit Problemen verbunden. Es hat sich bisher gezeigt, daß zeitraubende und

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teure Verfahren erforderlich sind, wenn man versucht, diese Schwierigkeiten zu überwinden und befriedigende lasttragende Verbundmaterialien, welche anders als in Form von flachen plattenartigen Formen ausgebildet sind, herzustellen«,

Die wichtigste Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung eines relativ billigen Verfahrens zur Herstellung von Kohlenstoff asemanordnungen, welche die erforderliche Handhabbarkeit und Drapierung (drape) sowie die Festigkeitseigenschaften aufweisen, und die zur Einverleibung in lasttragende Kohlenstoffaser—Verbundmaterialien geeignet sind. Die Erfindung betrifft auch die Schaffung von geeigneten Vorrichtungen zur Durchführung einiger Ausführungsformen eines derartigen Verfahrens»

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffaserfilzes gelöst, das die Schritte des Herstellens einer im wesentlichen in gleicher Richtung ausgerichteten Anordnung von endlosen karbonisier— baren Fäden im oxydierten Zustand, des Überkreuzlegens anderer derartiger Fäden auf einer Seite dieser Anordnung, und zwar in einem Zustand, in dem die Verschiebung der Fäden von ihrer Überkreuzlage bzw. —beziehung gehemmt bzw« gehindert ist, sowie des Nadeins (needle—punching) der erhaltenen Zusammenstellung von Fäden von derselben Seite umfaßt. Die Schritte können wiederholt werden, um eine

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größere Dicke aufzubauen. Die tatsächliche Richtungsgebung des Überkreuzlegens hängt von den besonderen Anfor« derungen an die Festigkeit ab. Der Zustand der Hemmung der über Kreuz gelegten Fäden kann auf verschiedene Weisen erreicht werden. Beispielsweise kann die anfängliche Anordnung von Pasern von der Seite genadelt werden, die derjenigen entgegengesetzt ist, welche später die über Kreuz gelegten Pasern aufnimmt, so daß die Struktur der Anordnung gestört wird, indem Fadenelernente an der Seite verschoben werden, die die über Kreuz gelegten Fasern aufnimmt« Dadurch wird eine 'Verankerungsstruktur" für die zuletzt genannten Fäden erhalten. Alternativ können die über Kreuz gelegten Fasern nach dem Aufbringen in ihrer Stellung mittels eines von außen wirkenden Mittels festgehalten werden« Beide Arbeitsweisen können selbstverständlich zusammen verwendet werden. Das Nadeln (needie-punching) nach dem Überkreuzlegen verschiebt die Faserelemente, und zwar entweder zu der Form von Schlaufen bzw· Schlingen oder gebrochenen Enden, in einer Richtung, die im allgemeinen durch die Dicke der Zusammenstellung verläuft. Als Ergebnis ergeben nicht nur die verschobenen Elemente die erforderliche Festigkeit in der dritten Dimension, sondern die Anordnung wird mit einem überraschenden Ausmaß an Kohäsion ausgestattet, durch welche die-Zusammenstellung kontinuierlich und in leichter Weise bei der nachfolgenden Verarbeitung gehandhabt werdea kann, ohne daß sie dabei beschädigt wird·

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Der erfindungsgemäß hergestellte Filz wird dann karbonisiert, graphitisiert und zur Herstellung eines Verbundmaterials verwendet« Das Filz weist jedoch ein großes Volumen (high bulk) und eine niedere Dichte auf_β Wenn es einem Verbundmaterial einverleibt werden soll, muß es erheblich kompakter gemacht werden, wie dies auch bei einigen faserförmigen Zusammenstellungen der Fall ist, die nach Verfahren hergestellt wurden, welche anders sind als das Verfahren der Erfindung. Das gewöhnliche Verfahren zur Herstellung einer Zusammenstellung besteht darin, daß die Kohlenstoffgrundfaseranordnung mit einem geeigneten Harz vorimprägniert wird, bevor es in die endgültige Form gebracht wird, wobei das erhaltene Produkt gewöhnlich als "Pre-Pie g"-Produkt bezeichnet wird. Es ist allerdings auch bekannt, das Harz zum Zeitpunkt der Formgebung bzw« des Formpressens zuzugeben. In jedem Falle kann das große Volumen und die niedrige Dichte des Filzes zu Schwierigkeiten führen, wenn man sich herkömmlicher Verfahren bedient« Eine Gefahr ist dabei, daß bei der Verwendung eines Lösungsmittels, wie dies normalerweise der Fall ist, sich Hohlräume in dem Filz und in dem fertigen Verbundmaterial infolge von Lösungsmitteleinschlüssen ausbilden können. Eine andere Gefahr besteht darin, daß bei der Kompaktierung des Filzes das überschüssige Harz, dessen Überschuß wegen der offenen Struktur erheblich sein muß, dazu neigt, die Fasern innerhalb der Struktur zu verschieben.oder sie überhaupt "wegzuwaschen".

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Die Erfindung ist weiterhin somit auf die Beseitigung dieser Schwierigkeiten gerichtet.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird daher eine Kohlenstoffaseranordnung mit großem Volumen und niedriger Dichte, insbesondere ein gemäß dem oben genannten Verfahren hergestelltes Kohlenstoffaserfilz, mit einem thermoplastischen oder hitzehärtbaren Harz imprägniert, welches in einem Lösungsmittel hochverdünnt ist, wobei das Lösungsmittel entweder bevor oder während der Reduzierung bzw_e Verkleinerung der Anordnung in deren Bndabmessungen entfernt wird, um das Harz selbst als Beschichtung auf dem faserförmigen Material zurückzulassen, wobei die Beschichtung zum Zusammenhalten bzw. -heften von Einzelelementen an ihren Kreuzungspunkten zur Verhinderung des Verschiebens der« selben dient und die vorgenannten Schritte vor der Zugabe des Matrixmaterials, in dem die Kohlenstof fasern eingebettet werden, zur Ausbildung der endgültigen Verbundstruktur vorgenommen werden« Die erforderliche kleine Harzmenge verringert in gewissem Umfang die Drapierung (drape), und es kann vorteilhaft sein, die Zusammenstellung in einer Preß— form mit der erforderlichen Endgeometrie vorzuformen, urn zwar insbesondere für solche Teile, die in zwei Richtungen gewölbt oder in einer Richtung stark gewölbt sind. Wenn man ein thermoplastisches Harz verwendet, kann es vorteilhaft sein, nach der Entfernung des Lösungsmittels die Temperatur bis zum Schmelzpunkt des thermoplastischen Materials zu steigern, so daß dieses über die Faser oberflächen fließen kann,

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Polysulphon in einer 1 bis 2#igen Lösung in Methylenchlorid ist geeignet. Wenn man ein hitzehä-rtbares Harz verwendet, ist es erwünscht, dieses während der Kompaktierung der Zusammenstellung zu härten oder teilweise zu härten. Eine 1 bis 2#ige Lösung eines Epoxyharzes in Methylenchlorid ist geeignet« Vorzugsweise wird die Lösung durch Eintauchen oder Aufsprühen aufgebracht, und ein Vakuumkammerverfahren (vacuum beg method) wird verwendet, um eine Verfestigung zu erreichen und das Lösungsmittel wegzupumpen.

Wenn die Kohlenstoffaseranordnung sich in diesem Zustand befindet, kann die Herstellung eines "Pre~Preg" fortgesetzt werden· Das Verbund— oder Matrixharz kann beispielsweise mittels eines Rakels (doctor knife technique) aufgebracht werden. Alternativ ist es in einigen Fallen möglich, das Verbundharz mittels verschiedener Techniken einschließlich des Einspritzens von Harz an bzw« in der Form aufzutragen. In jedem Falle entsteht nicht das Problem der Verschiebung der Fasern, und zwar infolge der Verankerung bzw« Verriegelung der Fasern, welche bei der Verwendung des ersten Harzes erreicht wird.

Die Erfindung wird im folgenden näher erläutert, wobei auf die Zeichnungen und Beispiele Bezug genommen wird. Es zeigen:

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Pig_β 1 eine schematische Seitenansicht, die die Herstellung und das Nadeln einer Kettbahn (warp sheet) von endlosen Kohlenstoffasern erläutert;

Mg. 2 eine schematische Seitenansicht, die das Aufbringen einer über Kreuz gelegten Bahn von Schußfäden auf die in Verbindung mit Mg₆ 1 genannte Kettbahn erläutert ;

Pig« 3 eine schematische Seitenansicht, die die Herstellung eines über Kreuz gelegten Pilzes aus einer Vielzahl von Kohlenstoffaserschichten erläutert;

Pig. 4 in schematischer Seitenansicht eine Nadeleinrichtung (needie-punching mechanism), welche die Kontrolle bzw«, Steuerung von über Kreuz gelegten Schußfäden einschließt;

Pig. 5 eine schematische Seitenansicht der relativen Anordnungen einer Kettbahn und von über Kreuz gelegten Schußfäden, wenn die in Pig. 4 gezeigte Einrichtung verwendet wird;

Pig. 6 eine schematische Ansicht, die in detaillierterer Porm und anhand einer Endansicht die Arbeitsweise der Einrichtung der Pig« 4 erläutert;

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Pig. 7 eine schematische Ansicht, die das Aufbringen einer Harzlösung auf eliffpllz durch Sprühung erläutert und

Fig· 8 ein Schema, das das Aufbringen einer Harzlösung

auf einP#ilz mittels Eintauchen erläutert.

In Mg. 1 ist eine Kettbahn aus endlosen karbonisierbaren Fäden 10 in oxydiertem Zustand gezeigt, die von einem Baum 12 zu einer Nadeleinrichtung 14 mittels einer Zufuhrrolle 16 und einem endlosen !Förderband 18 gebracht wird_e Die Nadeleinrichtung (needle puncher) 14 weist eine Bodenplatte (bed plate) 20 und eine Abstreifplatte (stripper plate) 22 auf· Nach dem Nadeln wird die Bahn 10 mittels Rollen 24, 26 und 28 zu einem anderen Kettbaum (warp beam) 30 gebracht.

Pig. 2 zeigt die weitere Verarbeitung der in Fig. 1 gezeigten genadelten Kettbahn 10. Sie wird von dem Kettbaum 30 mittels des gleichen Systems weitertransportiert· Bevor jedoch die Nadeleinriohtung 14 erreicht wird, ist ein Wickel 32 zur Zufuhr von Schußfäden (weft supply package) 32 angeordnet, dessen Achse sich in der gleichen Richtung wie die Kettbahn 10 erstreckt. Dadurch können Parten von Schußfäden 34 davon abgeschnitten werden, die dann aufeinander

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folgend q^uer auf die Ketfbahn 10 abgelegt werden. Die endgültige Zusammenstellung wird dann auf einem Baum 36 aufgewickelt.

Hg, 3 zeigt das Aufbauen eines Pilzes mit größerer Dicke in der gleichen Vorrichtung. I_n diesem Falle ist ein Baum 36 mit einem Filz, welcher auf der in Bezugnahme auf Mg, 2 beschriebenen Vorrichtung hergestellt wurde, so angeordnet, daß der darauf befindliche Pilz unterhalb einer genadelten Kettbahn, die von einem Baum 30 kommt und auf der im Zusammenhang mit Pig. 1 beschriebenen Vorrichtung hergestellt worden ist, eingeführt wird. Die Zufuhr des Schußmaterials 34 erfolgt wiederum von der Packung

Pig. 5 zeigt, daß die über Kreuz gelegten Schußfäden 34 sich über die Bahn 10 aus den Kettfäden erstrecken, und zwar etwa um 2,54 cm an jeder Seite gemäß bestimmten Ausführungsformen des beschriebenen Verfahrens,

Pig. 6 zeigt, daß auf der Abstreifplatte 22 federnde bzw. elastische Kissen 38 vorgesehen sind, die zur Kontrolle der Schußfäden 34, die über Kreuz auf die Kgttbahn 10 gelegt worden sind, während des Nadeins angepaßt sind« Wie aus den Pig, 4, 5 und 6 ersichtlich, wird die Abstreifplatte 22

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bei A geschwenkt, und ihre nach oben und unten schwingende Bewegung wird mit der vertikalen, sich umkehrenden Bewegung des Baums der Nadeleinrichtung 14 synchronisiert, und zwar in einer Weise, daß sich die Abstreifplatte 22 in ihrer niedrigsten Position befindet, wenn die Nadeln auf das Material auftreffen. In diesem Augenblick befindet sich die Abstreifplatte 22 parallel zu der Bodenplatte 20$ Sowohl der Abstand zwischen den zwei Platten und das Ausmaß der Schwingungsbewegung der Abstreifplatte 22 sind einstellbar·

Bei dem bevorzugten Verfahren zur Kontrolle des Schuß— materials werden, wie bereits ausgeführt, die Schußfäden um etwa 5*08 cm langer geschnitten als die Kettbahn in der Breite mißt, so daß sich an jeder Seite der Kettbahn ein 2,54 cm breiter Rand aus Schußmaterial befindet·

Die Unterseite der Abstreifplatte 22 ist mit einem Paar von elastischen bzw. federnden Polstern bzw. Kissen 38 ausgestattet, wie bereits ausgeführt wurde. Die Dicke dieser Kissen ist um ein Geringes größer als der Abstand zwischen der Abstreifplatte 22 und der Bodenplatte 2O₄, Der Abstand zwischen den zwei Kissen ist um ein Geringes größer als die Breite der Kettbahn 1Ö, so daß bei der niedrigsten Stellung der Abstreifplatte 22, d_eh. wenn sich die Nadeln in dem Material befinden, die Kissen 38 auf die Ränder des

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Schußmaterials einen Druck ausüben. Dadurch bleibt-die anfängliche Anordnung des Schußmaterials erhalten. Das Ausmaß des Schwingens der Abstreifplatte 22 wird so eingestellt, dai3 das Material ungehindert zwischen den zwei Platten während der Vorschubstufe des Zyklus hindurch« gehen kann, d.h. während der Vorwärtsbewegung des Materials, wobei sich sowohl die Abstreifplatte 22 als auch die Nadeleinrichtung 14 in ihren höchsten Positionen befinden«

Beispiel 1

Dieses Beispiel betrifft die Herstellung eines Filzes aus zwei Schichten, die im Winkel von 90 übereinandergelegt sind«.

Endlose Fäden aus Polyacrylnitril mit 1,5 Denier und in Form eines Wergmaterials (tows) mit 10 000 Fäden wurden zu einer Bahn zusammengestellt, welche eine Breite von etwa 60,96 cm mit 25 000 Fäden pro 2,54 cm aufwies, und zwar gemäß dem Verfahren, das in der britischen Patentschrift 1 190 214 beschrieben ist. Die Faserbahn wurde dann gemäß dem in den britischen Patentschriften 1 190 214 und 1 257 beschriebenen Verfahren bzw. der Vorrichtung oxydiert* Während der Oxydation wurde die Breite der Faserbahn auf 45»72 cm verringert«

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Die Bahn wurde dann auf der Vorrichtung gemäß Fig. 1 in der erläuterten Weise vorgenadelt« Die verwendete Maschine war eine Bywater-KBN-^-O-Nadelmaschine, die mit regelmäßigen Widerhaken (regular barb) (15x18x36x3 i/2) versehenen vorstehenden Standardnadeln mit einer Nadeldichte von 25 Nadeln pro cm Breite ausgerüstet war«

Diese Vornadelungsmaßnahme zur Schaffung einer "Verankerung" für die später über Kreuz zu legenden Schußfäden wurde bei einer Nadelpenetration von 13 mm durchgeführt, wobei die Kettfädenbahn intermittierend bei einer Geschwindigkeit von 0,85 cm pro Nadelstoß vorgeschoben wurde, um eine Nadelungsintensität von 30 Penetrationen pro cm zu erhalten· Die Geschwindigkeit der Nadelmaschine betrug 250 Stöße pro Minute.

Wie sich eindeutig aus Fig. 1 ergibt, wird die Bahn nach dem Nadeln auf dem Baum 30 aufgewunden, wobei die Faserelemente, die an der Bahnoberfläche verschoben wurden, sich außen befinden«,

Die nächste Stufe, die aus dem Überkreuzlegen von Schußfäden besteht, wurde auf der gleichen Vorrichtung durchgeführt, wobei der Packen 32 zur Zufuhr von Schußmaterial (Fig. 2) hinzukam.

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Die vorgenadelte Kettbahn wurde von dem Baum 30 zugeführt und intermittierend vorwärtsbewegt, wobei sich die verschobenen Paserelernente zu Oberst befinden, und zwar bei einer Geschwindigkeit von 0,65 cm pro Stoß, um eine

ρ Nadelungsintensität von annähernd 40 Penetrationen pro cm zu erhalten. Die Nadelpenetration betrug 14 mm_o

Bei stationär gehaltener Vorrichtung wurde eine Länge der Schußbahn, die identisch zu der Kettbahn von dem Packen 32 ist, beim Überkreuzlegen in rechtem Winkel zu der Kettbahn abgeschnitten. Die Vorrichtung wurde dann in Gang gesetzt, wobei die Nadeleinrichtung mit einer Geschwindigkeit von 250 Stoßen pro Minute lief, bis die nächste Partie von Schußfäden unmittelbar neben die erste Partie gelegt werden konnte. Danach wurde die Vorrichtung angehalten und die gesamte Sequenz wiederholt, und so weiter.

Der erhaltene Filz wurde auf dem Baum 36 aufgewickelt, wobei sich die von dieser zweiten Nadelung herrührenden verschobenen Faserelemente wiederum außen befanden. Der Filz ließ sich handhaben und wies Drapierungseigenschaften (drape characteristics) auf, denen zufolge er in leichter Weise dazu gebracht werden konnte, Formen der oben genannten Art einzunehmen, wobei er dennoch in der Lage war, dem fertigen Verbundmaterial, von dem er ein Teil ist,

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ausgezeichnete Festigkeit seigenschaf ten zu verleihen«,

Die nachfolgenden Verarbeitungsstufen, die zu der Aus bildung eines Verbundmaterials führen, werden später be« schrieben.

Beispiel 2

Das Ausgangsmaterial und die Vorrichtung sind die gleichen wie in Beispiel 1.

Ein aus einer Vielzahl von Schichten bestehender Pilz wurde in der im folgenden beschriebenen Weise hergestellt.

Zunächst wurden ein Filz und ein vorgenadeltes Kett— material in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise hergestellt.. Dann wurde, wie aus Beispiel 3 ersichtlich, der der den Filz tragende Baum 36 unterhalb der Vorrichtung abgestützt und der Filz unterhalb des vorgenadelten Kett-i materials von dem Baum 30 zugeführt. Die Schußbahn des Filzes befand sich oben,ebenso die verschobenen Faserelemente des vorgenadelten Kettmaterials. Das kombinierte FiIz- und Kettmaterial wurde mit dem Schußmaterial 34 von der Packung 32 wie oben beschrieben über Kreuz gelegt und genadelt, wobei die Nadelpenetration auf 11 mm reduziert wurde,

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Der erhaltene aus vier Schichten bestehende Pilz wurde dann auf einem Baum, der in Fig· 3 nicht gezeigt ist, aufgewickelt«,

Es wurde wiederum ein befriedigendes Ergebnis erhalten, wobei jedoch der Pilz dicker als der gemäß Beispiel 1 hergestellte war.

Beispiel 3

In diesem Palle wurde ein aus einer Vielzahl von Schichten bestehender Pilz mit Schußmaterial, das in verschiedenen Winkeln über Kreuz gelegt wurde, hergestellt«,

Das verwendete Ausgangsmaterial und die Vorrichtung sind wiederum gleich den in Beispiel 1 beschriebenen.

Das Verfahren wurde genau wie in Beispiel 2 durchgeführt, mit der Ausnahme, daß der erste Pilz ein Schußmaterial aufwies, das in einem Winkel von 45° in der einen Richtung zu den Kettfasern über Kreuz gelegt wurde, während das abschließende Schußmaterial in einem Winkel von 45° in der anderen Richtung zu den Kettfasern über Kreuz gelegt wurde«

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Der erhaltene Filz erwies sich wiederum vom Gesichtspunkt der Drapierung als sehr befriedigend, verlieh jedoch dem Ve rundmaterial eine Festigkeit in vier und nicht in drei Richtungen, und zwar infolge des in zwei unterschiedlichen Winkeln angeordneten Schußmaterials.

Beispiele 4« 5 und 6

Diese Beispiele schließen die Wiederholung der Stufen der Beispiele 1, 2 und 3 ein, mit der Ausnahme, daß die Vorrichtung,die bereits in Verbindung mit den Figo 4 bis beschriebene modifizierte Nadeleinrichtung aufwies und daß das Schußmaterial in einer Übergröße geschnitten wurde, wie bereits im Zusammenhang mit den Fig· 5 und 6 gezeigt und erläutert wurde.

Die erhaltenen Filze erwiesen sich wiederum als sehr brauchbar. Da jedoch die zusätzliche Hemmung bzw* Befestigung des Schußmaterials eingeführt worden war_? waren die physikalischen Eigenschaften in Kett- und Schußrichtung annähernd gleicher. Diese zusätzliche Hemmung bzw* Befestigung schränkt weiterhin das Verschieben von Schußfäden während des Nadeins ein.

Beispiele 7« 8 und 9 Diese Beispiele schließen die Wiederholung der Stufen

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der Beispiele 4, 5 und 6 ein, mit der Ausnahme, daß in keinem Falle ein vorgenadeltea Kettmaterial verwendet wurde. Anders gesagt, wurde der allgemin in fig_e 1 erläuterte Verfahrensteil weggelassen.

Wiederum wurden sehr zufriedenstellende Pilze hergestellte Im Vergleich zu den Filzen der Beispiele 1, 2 und erwiesen sich die physikalischen Eigenschaften in Kett- und Schußrichtung wiederum als annähernd die gleichen. Dies liegt in dem Umstand begründet, daß eine stärkere Befestigung des Schußmaterials vorlag«

Wie "bereits erwähnt wurde, ist es vorteilhaft, auf den Filz in bestimmter Weise ein Harz aufzutragen, und zwar nach der Karbonisierung und Graphitisierung, jedoch vor der Herstellung eines "Pre-Preg" oder der abschliessenden Preß verformung des Verbundmaterials. Dies gilt in gleicher Weise für alle Filze mit großem Volumen und niedriger Dichte, ob sie nun gemäß dem hier beschriebenen Verfahren oder auf andere Weise hergestellt wurden. Die Gründe hierfür wurden bereits erläutert. Aus praktischen Gründen und zur geeigneten Unterscheidung von der Vorimprägnierung wird dieser Schritt im Folgenden als "Vor— schlichten" (pre-sizing) bezeichnet.

Das Vorschlichten kann in der in den Fig. 7 und 8 beschriebenen Weise durchgeführt werden. Gemäß Fig. 7 wird

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der Filz 40 unter Sprüheinrichtungen hindurch durch einen Ofen 42 transportiert. Die Sprüheinrichtungen umfassen ein Reservoir 44, eine Dosierpumpe 46 (metering pump) und eine hin- und hergehende (reciprocating) Düse 48. Der Pilz 40 wird schließlich zu einer Aufwickelvorrichtung oder einer Preßform 50 geleitet. Gemäß Pig« 8 durchquert der filz ein Tauchbad 52, wobei er durch Rollen 54, 56, 58 geleitet wird, sowie durch einen Ofen 42 und wird einer Aufwickelvorrichtung oder Preßform 50 zugeführt. Die Rollen 56 und 58 wirken auch als Berührungsrollen (nip/rolls) um überschüssige Schlichte (size) zu entfernen«.

Eines der herkömmlichen Verfahren, das zu Schwierigkeiten führen kann, wenn man Filze mit großem Volumen und niedriger Dichte Verbundmaterialien einverleiben will, ist· die Heißpreßverformung unter hohem Druck mit aufeinander-* passenden Formteilen (hot high pressure matched die moulding)«, Bei diesem Verfahren tritt ein normalerweise erheblicher Harzfluß auf, und es besteht daher die Gefahr von Verschiebungen der Fasern. Ein gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellter Filz, d_eh_e ein Filz gaaäß einem der vorstehenden Beispiele, weist ein gutes Ausmaß an Kohäsion auf, man kann jedoch eine weitere Verankerung der Fasern erhalten, indem man den Filz mit einer Lösung eines thermoplastischen Harzes, das mit dem Matrixharz des Verbandmaterials verträglich ist, vorschlichtet. Als thermoplastische Harze können beispielsweise Polysulphon oder Poly—

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karbonat in 1$iger Lösung in Methylenchlorid verwendet werden. Die genannten zwei Lösungen sind brauchbar, wenn das Matrixharz beispielsweise aus Polyester-epoxy-polyimid besteht«

Das Vorschlichten kann entweder mittels der Sprühvorrichtung der Pig. 7 oder der Tauchvorrichtung der Pig. durchgeführt werden. Nach der Entfernung des Lösungsmittels in dem Ofen 42 klebt bzw. härtet das zurückbleibende Harz die Pasern an den Kreuzungspunkten zusammen, wodurch eine zusätzliche Verriegelung bzw. Verankerung der Fasern erreicht wird« Der so behandelte Pilz kann dann mit einem geeigneten Harz mittels irgendeinem der üblichen Verfahren unter Bildung eines "Pre-Preg" imprägniert werden, z.B₀ unter Verwendung eines Harzbades, einer heißen Schmelze oder einer Rakel (doctor knife). Bei der Preßverformung tritt eine untragbare Störung der Pilzfasern nicht auf.

Wenn beabsichtigt ist, durch Preßverformung dicke Abschnitte herzustellen, wird der Pilz nach der Anwendung der Schlichtung zu einer Preßform und nicht zu einer Aufnahmevorrichtung geleitet. Der Pilz wird dann in noch nassem Zustand komprimiert, um überschüssige Schlichte und Lösungsmittel auszupressen. Man wendet niedrige Hitze an, um die Entfernung des Lösungsmittels zu unterstützen« Der

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Filz behält die zusammengedrückte Dimension bei und kann dann mit Harzen niederer Viskosität imprägniert sowie in den Formen mit aufeinanderpassenden lormteilen (matched
die moulds) preßgeformt werden.

Ein anderes übliches Preßformverfahren, das bei der
Verwendung von Pilzen gemäß der Erfindung günstig ist, ist ein Spritzgußverfahren unter Verwendung von Pilzen mit
einem hohen Volumenanteil an Pasern. Ein gemäß einem der vorstehenden Beispiele hergestellter Pilz kann somit mit einem thermoplastischen Harz vorgeschlichtet werden, und zwar mit einem thermoplastischen Harz in einer 1$igen
Lösung (in solvent azoic 1$ solution), in die Spritzform gegeben werden und zu einer normalen Komponentengröße
komprimiert werden, wobei man mäßige Hitze (z.B. 100⁰C)
und einen Druck von 3,50 kg/cm anwendet. Zur Entfernung des Lösungsmittels wird ein Vakuum angelegt. Dieser vorgeformte Pilz läßt sich dann in befriedigender Weise mit Harz verspritzen, und zwar unter gleichzeitiger Anwendung von Vakuum und Druck sowie Hitzehärtung.

Eine weitere vorteilhafte Verwendung für Pilze gemäß
der Erfindung ist die Herstellung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterialien. Dies liegt in dem Umstand begründet, daß diese Materialien stabil und von sehr poröser Natur sind. Ein gemäß einem der vorstehenden Beispiele

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hergestellter Filz kann somit mit einem geeigneten Epoxyharz imprägniert und einer Hochtemperaturbehandlung unterworfen werden, um das Harz in ein Kohlenstoffmaterial zu überführen. Die Kohlenstoffmatrix kann auch mittels des chemischen Verfahrens unter Abscheidung aus der Gasphase abgesetzt werden.

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Claims

Patentansprüche

1_β Verfahren zur Herstellung eines Kohlenstoffaserfilzes, dadurch gekennzeichnet, daß es die Schritte des Hersteilens einer im wesentlichen in gleicher Richtung ausgerichteter Anordnung von endlosen, karbonisierbaren Fäden in oxydiertem Zustand, des Überkreuzlegens anderer derartiger Fäden auf einer Seite dieser Anordnung, und zwar in einem Zustand, in dem die Verschiebung der Fäden von ihrer Überkreuzlage gekemmt bzw. gehindert ist, sowie des Nadeins (needle-punching) der erhaltenen Zusammenstellung von derselben Seite her umfaßte

2· Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte, daß zu diesem Filz mindestens einmal und parallel zu der in gleicher Richtung ausgerichteten Anordnung eine weitere derartige Anordnung zugegeben wird, weitere derartige Fäden auf der Außenseite einer jeden weiteren Anordnung über Kreuz gelegt werden, und zwar so, daß sie in ihrer Überkreuzlage gehemmt bzw. gehindert sind, und daß die Zusammenstellung von derselben Seite genadelt wird, bevor noch irgendeine noch weitere Anordnung zugegeben wird·

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3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens einige der über Kreuz gelegten Fäden im rechten Winkel zu der Anordnung, auf die sie gelegt werden, ausgerichtet werden«,

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens einige der über Kreuz gelegten Fäden in einem Winkel, der nicht ein rechter Winkel ist, zu der Anordnung, auf die sie gelegt werden, ausgerichtet werden·

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens einige der ü"ber Kreuz gelegten Fäden in einem Winkel von 45° zu der Anordnung, auf die sie gelegt werden, ausgerichtet werden.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß verschiedene Schichten von über Kreuz gelegten Fäden in verschiedenen Winkeln zu den Fäden der Anordnungen gelegt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Hemmung bzw. Hinderung der über Kreuz gelegten Fasern erreicht wird, indem die Anordnung, auf die sie gelegt werden, von der anderen Seite her genadelt wird, so daß die Struktur der Anordnung gestört wird, indem FadeiBLemente an der Seite, die die über Kreuz

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gelegten Fäden aufnehmen soll, verschoben werden, wodurch eine "Verankerungsstruktur" für die über Kreuz gelegten Fäden erhalten wirdβ

8« Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hemmung bzw« Hinderung der über Kreuz gelegten Fäden erhalten wird, indem man diese mittels eines äußeren Mittels in ihrer Stellung fest" hält.

9« Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Mittel Kissen umfaßt, die an der Abstreifplatte der Nadeleinrichtung (needle puncher stripper plate) befestigt sind und die zum Ergreifen bzw_o Anklemmen von Enden der über Kreuz gelegten Fäden, welche die Anordnung, auf die sie gelegt werden, überlappen, gegen die Bodenplatte der Nadeleinrichtung während des Nadel·· schrittes angepaßt sind»

10« Verfahren zum Vorschlichten (pre-sizing) eines großvolumigen Kohlenstoffaserfilzes niedriger Dichte, insbe~ sondere hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da-

es durch gekenzeichnet, daß\die Schritte des Imprägnierens des Filzes mit einem thermoplastischen oder hitzehärtbaren, in einem Lösungsmittel hochverdünnten Harz umfaßt, und daß das Lösungsmittel entweder vor oder während

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der Verkleinerung der Zusammenstellung auf ihre Endabmessungen entfernt wird, um das Harz selbst als Beschichtung auf dem faserförmigen Material zurückzulassen, wobei die Beschichtung zum Zusammenhalten bzw. -haften von Einzelelementen an ihren Kreuzungspunkten zur Verhinderung des Verschiebens derselben dient und die vorgenannten Schritte vor der Zugabe des Matrixmaterials, in dem die Kohlenstoffasern eingebettet werden, zur Ausbildung der zusammengesetzten Verbundstruktur vorgenommen werden.

11, Verfahren nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet , daß der Pilz zu seinen endgültigen Dimensionen als Teil der VorSchlichtungsmaßnahmen vorgeformt wird,

12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt, daß bei Verwendung eines thermoplastischen Harzes die Temperatur des Harzes nach der Entfernung des Lösungsmittels gesteigert wird, um den Harzfluß über die Oberflächen des faserförmigen Materials des Filzes zu erleichtern,,

13· Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch den weiteren Schritt, daß bei Verwendung eines hitzehärtbaren Harzes das Harz während der Kontaktierung des 3?ilzes gehärtet oder teilweise

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gehärtet wird.

14· Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bia 13, dadurch gekennzeichnet , daß die Harzlösung durch Eintauchen aufgebracht wird_e

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch ge ke nnze i ohne t., daß die Harzlösung durch Aufsprühen aufgebracht wird,

I6_e Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15» dadurch gekennzeichnet , daß eine Technik unter Verwendung einer Vakuumkammer (vacuum bag technique) angewendet wird, um den Filz zu verfestigen bzw. zu konsolidieren und das Lösungsmittel wegzupumpen.

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