CH621857A5

CH621857A5 - Screw of a composite material containing carbon fibres

Info

Publication number: CH621857A5
Application number: CH136278A
Authority: CH
Inventors: Philip Dr Rer Nat Rose; Udo Gruber
Original assignee: Sigri Elektrographit Gmbh
Priority date: 1977-02-09
Filing date: 1978-02-07
Publication date: 1981-02-27
Also published as: AT356971B; DE2705336A1; GB1557762A; FR2380459A1; ATA868477A

Description

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Aufrechterhaltung der hohen Zug- und Biegefestigkeit die Scherfestigkeit von Schrauben aus einem kohlenstoffaserverstärkten Verbundwerkstoff zu verbessern. Diese Schraube enthält in einer Matrix verteilt Kohlenstoffasern 2, die im Schraubenkern 1 in Richtung der Schraubenlängsachse angeordnet sind und im Gewinde 3 unter einem spitzen Winkel zur Längsachse verlaufen. The invention has for its object to improve the shear strength of screws made of a carbon fiber reinforced composite material while maintaining the high tensile and bending strength. This screw contains carbon fibers 2 distributed in a matrix, which are arranged in the screw core 1 in the direction of the screw longitudinal axis and run in the thread 3 at an acute angle to the longitudinal axis.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Winkel gleich dem Steigungswinkel des Gewindes. Die Matrix des Verbundwerkstoffes besteht nach der Erfindung vorzugsweise aus Kohlenstoff. Andere geeignete Matrixwerkstoffe sind beispielsweise härtbare Kunstharze, wie Epoxidharze und Phenolformaldehydharze. Unter dem Begriff Kohlenstoffasern werden nach der Erfindung ebenfalls Graphitfasern verstanden, die aus Kohlenstoffasern durch einen thermischen Prozess hergestellt werden. Erfindungsgemässe Schrauben sind schliesslich nicht auf besondere Gewindeformen und -Steigungen beschränkt. According to a preferred development of the invention, the angle is equal to the pitch angle of the thread. According to the invention, the matrix of the composite material preferably consists of carbon. Other suitable matrix materials are, for example, curable synthetic resins, such as epoxy resins and phenol formaldehyde resins. According to the invention, the term carbon fibers is also understood to mean graphite fibers which are produced from carbon fibers by a thermal process. Finally, screws according to the invention are not restricted to special thread shapes and pitches.

In Schrauben gemäss der Erfindung sind die Vorteile eines Verbundwerkstoffes mit unidirektional angeordneten Verstärkungsfasern und eines mehrere gegeneinander versetzte Faserlagen enthaltenden Werkstoffs vereinigt, wobei der Schraubenkern bevorzugt Zug- und Biegespannungen und die Gewindegänge Scherspannungen aufnehmen, wodurch bei ungeschmälerter Zug- und Biegefestigkeit des Schraubenkerns eine wesentlich höhere Scherfestigkeit der Gewindegänge erreicht wird. Screws according to the invention combine the advantages of a composite material with unidirectionally arranged reinforcement fibers and a material containing a plurality of mutually offset fiber layers, the screw core preferably absorbing tensile and bending stresses and the thread shear stresses, which means a much higher tensile and bending strength of the screw core Shear strength of the threads is achieved.

Als Verstärkungsfasern für erfindungsgemässe Schrauben sind besonders Kohlenstoff- oder Graphitfasern mit einer Reissfestigkeit > 2 kN/mm2 geeignet, die gegebenenfalls nach einer die interlaminare Scherfestigkeit verbesserten Oberflächenbehandlung mit einem härtbaren Kunstharz, wie z.B. Epoxid-, Furan- oder Phenolharz imprägniert und beschichtet, in Schichten ausgelegt und anschliessend nach Trocknung und pertieller Härtung des Harzes zu Platten oder zylindrischen Stäben verpresst werden. Nach vollständiger Härtung der Harzmatrix, die zweckmässigerweise im Temperaturbereich zwischen etwa 150 und 200° C vorgenommen wird, werden aus den etwa 40 bis 70 Vol.-% unidirektional geordnete Kohlenstoffasern enthaltenden Rohkörpern Zylinder herausgearbeitet, deren Durchmesser gleich dem Kerndurchmesser der jeweiligen Schraube ist; in dem gleichen Arbeitsgang kann in bekannter Weise der Schraubenkopf hergestellt werden. Nun wird auf den Kern im Wickelverfahren aus kunstharzimprägnierten Garnen oder Rovings eine aus mehreren Lagen bestehende Schicht bis zum gewünschten Aussendurchmesser der Schrauben aufgezogen. Die Kohlenstoffasern verlaufen in dieser Schicht in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Schraubenkerns, bevorzugt entspricht der Winkel dem Steigungswinkel der Schraube. Nach Härtung des Harzes wird dann in bekannter Weise das Gewinde geschnitten. Particularly suitable reinforcing fibers for screws according to the invention are carbon or graphite fibers with a tensile strength of> 2 kN / mm2, which, if necessary, after a surface treatment with a hardenable synthetic resin, such as e.g. Epoxy, furan or phenolic resin impregnated and coated, laid out in layers and then pressed into sheets or cylindrical rods after drying and pertial hardening of the resin. After the resin matrix has completely hardened, which is expediently carried out in the temperature range between about 150 and 200 ° C., cylinders are worked out from the roughly 40 to 70% by volume unidirectionally arranged carbon fibers, the diameter of which is equal to the core diameter of the respective screw; in the same operation, the screw head can be produced in a known manner. Now a layer consisting of several layers is applied to the core in the winding process from synthetic resin impregnated yarns or rovings up to the desired outside diameter of the screws. The carbon fibers run in this layer at an acute angle to the longitudinal axis of the screw core, the angle preferably corresponds to the pitch angle of the screw. After the resin has hardened, the thread is then cut in a known manner.

Zur Herstellung von Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix werden Schrauben, die eine Harzmatrix enthalten, zur Carboni-sierung des Harzes in einer inerten Atmosphäre auf etwa 1000° C erhitzt. Da die Harzmatrix unter diesen Bedingungen schrumpft, ist im allgemeinen zur Korrektur der Massänderungen eine Nacharbeitung erforderlich. Nach einem anderen Verfahren werden daher als Matrixmaterial für Schrauben aus kohlenstoffaserverstärktem Kohlenstoff Steinkohlenteerpech-kokse verwendet. Die Kohlenstoffasern werden dabei mit einem Teerpech imprägniert, in Schichten ausgelegt und zu Platten oder zylindrischen Stäben verpresst. Auf die Rohlinge werden nun nach entsprechender Bearbeitung aus pechimprägnierten Rovings oder Garnen mehrere Lagen aufgewickelt oder die Rohlinge werden zunächst carbonisiert und daran anschliessend bearbeitet und mit Wickelschichten versehen. Im zweiten Fall ist eine zweite Erhitzung auf die Carbonisierungstemperatur erforderlich. Das Gewinde wird jeweils nach der letzten Carbo-nisierung geschnitten. To produce screws with a carbon matrix, screws containing a resin matrix are heated to about 1000 ° C. in an inert atmosphere to carbonize the resin. Since the resin matrix shrinks under these conditions, reworking is generally necessary to correct the dimensional changes. According to another method, coal tar pitch coke is therefore used as the matrix material for screws made of carbon fiber-reinforced carbon. The carbon fibers are impregnated with tar pitch, laid out in layers and pressed into plates or cylindrical rods. After appropriate processing of pitch-impregnated rovings or yarns, several layers are then wound onto the blanks or the blanks are first carbonized and then processed and provided with winding layers. In the second case, a second heating to the carbonization temperature is required. The thread is cut after the last carbonation.

Im folgenden werden anhand von Beispielen und einer Zeichnung Herstellung und Eigenschaften erfindungsgemässer Schrauben beschrieben. The production and properties of screws according to the invention are described below with the aid of examples and a drawing.

Beispiel 1 example 1

Kohlenstoffaserrovings mit 10 000 Filamenten wurden zu Bändern ausgelegt, mit dem handelsüblichen Harzsystem Epi-kote ® DX 210 / Epikure ® DX137 imprägniert, 30 min bei einer Temperatur von 80° C getrocknet und in einer Pressform unter einem Druck von 0,7 N/mm2 auf 140° C erhitzt. Aus dem Rohkörper, dessen Faseranteil ca. 60 Vol.-% betrug, wurden Stäbe mit dem Querschnitt 10 X 10 mm in Richtung des Faserverlaufs geschnitten und die Stäbe auf einen Durchmesser von 9 mm abgedreht. Hochfeste Kohlenstoffasern mit 3000 Filamenten, die mit dem handelsüblichen Harzsystem Araldit ® LY 556/HY 951 imprägniert waren, wurden dann unter einer um ca. 85° gegen die Zylinderachse geneigten Richtung aufgewickelt und in die Wickellagen nach einer Härtungszeit von 15 h ein Gewinde mit einem Steigungswinkel von 5° geschnitten. Die Biegefestigkeit des Schraubenkerns betrug 1300 bis 1500 N/mm2, die Biegefestigkeit des Gewindes 450 bis 500 N/ mm2 Carbon fiber rovings with 10,000 filaments were laid out into strips, impregnated with the commercial resin system Epi-kote ® DX 210 / Epikure ® DX137, dried for 30 minutes at a temperature of 80 ° C and in a press mold under a pressure of 0.7 N / mm2 heated to 140 ° C. Rods with a cross section of 10 × 10 mm were cut from the raw body, the fiber content of which was approximately 60% by volume, and the rods were twisted to a diameter of 9 mm. High-strength carbon fibers with 3000 filaments, which were impregnated with the commercially available Araldit ® LY 556 / HY 951 resin system, were then wound under a direction inclined by approx Cut angle of 5 °. The bending strength of the screw core was 1300 to 1500 N / mm2, the bending strength of the thread 450 to 500 N / mm2

Beispiel 2 Example 2

Unidirektional ausgelegte Kohlenstoffaser-Gewebebänder wurden in einer Pressform mit feingemahlenem, bei einer Tem5 Unidirectionally designed carbon fiber fabric tapes were in a press mold with finely ground, at a Tem5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

621 857 621 857

peratur oberhalb 180° C erweichenden Hartpech beschichtet und die Anordnung in einem Ofen auf etwa 300° C erhitzt und anschliessend unter einem Druck von 0,7 N/mm2 verdichtet. Die Rohkörper wurden dann unter einem Druck von 25 bar auf 550° C erhitzt, abgekühlt und zweimal mit einem Steinkohlen-teerpech mit einem Erweichungspunkt von ca. 60° C imprägniert. Nach jedem Imprägnierungsschritt wurden die Körper unter Druck auf 550° C und nach der zweiten Imprägnierung zur vollständigen Carbonisierung der Kohlenstoffmatrix drucklos auf ca. 1000° C erhitzt. Wie in Beispiel 1 beschrieben, wurden aus dem Rohkörper zylindrische Stäbe hergestellt, deren Verstärkungsfasern parallel zur Längsachse der Zylinder angeordnet waren. Hochfeste Kohlenstoffasern mit 3000 Filamenten wurden dann unter einem Winkel von 85° trocken auf die zylindrischen Kerne aufgewickelt und die Schichten wie oben beschrieben mit Pech imprägniert, carbonisiert und das Gewinde geschnitten. Bei einem Faseranteil von ca. 60 Vol.-% wiesen die Schrauben folgende Eigenschaften auf: hard-pitch softening temperature above 180 ° C and the assembly heated in an oven to about 300 ° C and then compressed under a pressure of 0.7 N / mm2. The raw bodies were then heated to 550 ° C. under a pressure of 25 bar, cooled and impregnated twice with a coal tar pitch with a softening point of approx. 60 ° C. After each impregnation step, the bodies were heated under pressure to 550 ° C and after the second impregnation to complete carbonization of the carbon matrix to about 1000 ° C without pressure. As described in Example 1, cylindrical rods were produced from the raw body, the reinforcing fibers of which were arranged parallel to the longitudinal axis of the cylinders. High-strength carbon fibers with 3000 filaments were then dry-wound onto the cylindrical cores at an angle of 85 ° and the layers were impregnated with pitch, carbonized and the thread cut as described above. With a fiber content of approx. 60 vol.%, The screws had the following properties:

Kern core

400 bis 500 110 000 400 to 500 110,000

Gewinde 450 N/mm2 110 000 N/mm2 Thread 450 N / mm2 110 000 N / mm2

Biegefestigkeit Elastizitätsmodul Flexural strength modulus of elasticity

5 In der Zeichnung verlaufen im Schraubenkern 1 die Kohlenstoffasern 2 parallel zur Schraubenlängsachse. Im Gewinde 3 folgen die Verstärkungsfasern der Gewindesteigung. Verglichen mit bekannten Schrauben aus einem Verbundwerksotff ist der Schraubenkern und damit die Festigkeit der Schraube unverän-io dert, die Abscherfestigkeit der Gewindegänge ist, wie das Vergleichsbeispiel zeigt, jedoch wesentlich grösser. 5 In the drawing, the carbon fibers 2 in the screw core 1 run parallel to the longitudinal axis of the screw. In thread 3, the reinforcing fibers follow the thread pitch. Compared to known screws from a composite material, the screw core and thus the strength of the screw is unchanged, but the shear strength of the threads, as the comparative example shows, is considerably greater.

Für die Abscherung eines Gewindegangs im Durchschnitt aufzuwendende Kraft: Average force to shear a thread:

Matrix matrix

Kunstharz Kohlenstoff unidirektionale Faserorientierung Synthetic resin carbon unidirectional fiber orientation

2 800 N 500 N 2,800 N 500 N

gewickelte Gewindegänge wound threads

4 400 N 850 N 4,400 N 850 N

C C.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

621 857621 857

1. Schraube aus einem Kohlenstoffasern enthaltenden Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass die in einer Matrix verteilten Kohlenstoffasern (2) im Schraubenkern (1) in Richtung der Schraubenlängsachse angeordnet sind und im Gewinde (3) unter einem spitzen Winkel zur Längsachse verlaufen. 1. Screw made of a composite material containing carbon fibers, characterized in that the carbon fibers (2) distributed in a matrix are arranged in the screw core (1) in the direction of the screw longitudinal axis and in the thread (3) run at an acute angle to the longitudinal axis.

2. Schraube nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel gleich dem Steigungswinkel des Gewindes ist. 2. Screw according to claim 1, characterized in that the angle is equal to the pitch angle of the thread.

2 2nd

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS

3. Schraube nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix aus Kohlenstoff besteht. 3. Screw according to claim 1, characterized in that the matrix consists of carbon.

Zur kraftschlüssigen Verbindung von Elementen aus einem durch Kohlenstoffasern verstärkten Verbundwerkstoff und zum Verbinden dieser Elemente mit Konstruktionsteilen aus einem anderen Werkstoff sind Schrauben bekannt geworden, die aus einem durch Kohlenstoffasern verstärkten Werkstoff bestehen. Man hat derartige Schrauben bisher dadurch hergestellt, dass man zunächst Platten oder Zylinder aus einem die Kohlenstofffasern in einer im wesentlichen unidirektionaler Orientierung enthaltenden Verbundwerkstoff anfertigte und die Schrauben aus diesen Körpern herausarbeitete, wobei die Schraubenlängsachse mit der Richtung der Kohlenstoffasern zusammenfällt. Schrauben mit einer derartigen Faserorientierung weisen beträchtliche Zug- und Biegefestigkeiten auf, da die Scherfestigkeit jedoch verhältnismässig klein ist, brechen besonders Gewinde von Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix bereits beim Bearbeiten an der Oberfläche aus und einzelne Gewindegänge werden unter Last leicht abgeschert. For the frictional connection of elements made of a composite material reinforced by carbon fibers and for connecting these elements to structural parts made of another material, screws are known which consist of a material reinforced by carbon fibers. Such screws have hitherto been produced by first producing plates or cylinders from a composite material containing the carbon fibers in an essentially unidirectional orientation and working out the screws from these bodies, the longitudinal axis of the screw coinciding with the direction of the carbon fibers. Screws with such a fiber orientation have considerable tensile and flexural strengths, but since the shear strength is relatively low, threads of screws with a carbon matrix in particular break out during machining on the surface and individual threads are easily sheared off under load.

Zur Verbesserung der Scherfestigkeit von Verbundwerkstoffen ist es bekannt, z.B. Platten oder Rohre in gleichmässi-gen, um einen Winkel versetzten Lagen zu wickeln. Aus diesen Körpern herausgearbeitete Schrauben können insbesondere auch im Gewindebereich eine grössere Scherfestigkeit aufweisen, jedoch auf Kosten der Zug- und Biegefestigkeit, deren Minderung im allgemeinen nicht zugelassen werden kann. It is known to improve the shear strength of composite materials, e.g. Plates or tubes in uniform to wrap layers offset at an angle. Screws worked out from these bodies can have a higher shear strength, particularly in the thread area, but at the expense of tensile and bending strength, the reduction of which cannot generally be permitted.