DE102007023308A1

DE102007023308A1 - Befestigungseinrichtung

Info

Publication number: DE102007023308A1
Application number: DE200710023308
Authority: DE
Inventors: Stefan Dr. Schneweis
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befestigungseinrichtung mit einem zumindest abschnittsweise stiftförmigen Befestigungskörper, wobei der Befestigungskörper (11) einen aus Fasern (21) gebildeten Faserverbund (15) mit Kohlenstoff- und/oder Siliziumfasern aufweist, der durch eine Kohlenstoff enthaltende Verbundmatrix (28) fixiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Befestigungseinrichtung mit einem zumindest abschnittsweise stiftförmigen Befestigungskörper.
Befestigungseinrichtungen der eingangsgenannten Art sind hinlänglich in den unterschiedlichsten Ausführungsformen, wie beispielsweise Bolzen, in der Ausführung als Nagelbolzen oder auch als Gewindebolzen zur Herstellung einer Schraubverbindung, bekannt. Derartige Befestigungseinrichtungen werden vor allem dann eingesetzt, wenn es darum geht, Materialien oder Materiallagen miteinander zu verbinden, die eine zur Aufnahme der insbesondere im Fall von Schraubverbindungen erzeugten Vorspannkraft ausreichende Materialdichte oder Steifigkeit aufweisen. Selbst bei flexiblen Materialien, wie insbesondere Isolationsmaterialien, werden häufig Bolzenverbindungen eingesetzt, wobei in der Regel die Bolzenverbindungen mit ergänzenden Elementen, wie beispielsweise Unterlegscheiben versehen werden, um die durch die Vorspannkraft auf die flexiblen Materialien ausgeübten Anpressdrücke soweit zu reduzieren, dass Setzvorgänge bei den miteinander zu verbindenden Materialien weitestgehend verhindert werden.
Derartige Bolzenverbindungen sind entsprechend komplex mit einer Vielzahl von Einzelteilen ausgebildet, so dass häufig flexible Materialien bevorzugt mit einer Klebeverbindung auf einem Trägermaterial befestigt werden. Auch dieser Art von Verbindungen sind zumindest dann Grenzen gesetzt, wenn es sich bei den miteinander zu verbindenden Materialien um jeweils poröse Materialien handelt, so dass die für eine Klebeverbindung regelmäßig erforderliche Verbindungsfläche nicht ohne weiteres realisierbar ist.
Besonders komplex werden die Anforderungen an die Befestigungseinrichtung, wenn es darum geht, flexible Materialien miteinander zu verbinden, die darüber hinaus noch einer erhöhten Temperaturbeanspruchung ausgesetzt sind. Dies ist beispielsweise der Fall bei Isolierungen an Hochtemperaturanlagen, bei denen angrenzend zum Isolationsbereich häufig Temperaturen von 1000°C und mehr vorliegen. Bei derartigen Hochtemperaturisolierungen werden regelmäßig Isoliermaterialien aus Graphitfilz oder Graphitfolie in einer Schichtanordnung eingesetzt, wobei die Schichtanordnung mittels geeigneter Befestigungseinrichtungen gesichert werden muss. Bislang werden zur Realisierung einer Befestigungseinrichtung bei derartigen Materialien häufig Klebeverbindungen oder auch Nahtverbindungen verwendet. Zur Herstellung einer Klebeverbindung wird regelmäßig ein Harz verwendet, der vor Inbetriebnahme der Isolierung zur Umwandlung in Kohlenstoff geglüht werden muss. Erfolgt dieses Glühen nicht, so erfolgt aufgrund der Temperaturbeaufschlagung eine Umwandlung des Harzes, so dass Beeinträchtigungen des in der Hochtemperaturanlage hergestellten Produkts die Folgen sein können. Bei einer Nahtverbindung wird regelmäßig eine Graphitkordel verwendet, deren Vernähen mit den miteinander zu verbindenden Materialien entsprechend aufwendig ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungseinrichtung vorzuschlagen, die insbesondere zur Verbindung von flexiblen Materialien einer Hochtemperaturisolierung Verwendung findet, und die eine einfache und haltbare Verbindung der Verbindungsmaterialien ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Befestigungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Befestigungseinrichtung weist einen zumindest abschnittsweise stiftförmigen Befestigungskörper auf, der einen aus Fasern gebildeten Faserverbund mit Kohlenstoff- und/oder Siliziumfasern aufweist, der durch eine Kohlenstoff enthaltende Matrix fixiert ist.
Durch die erfindungsgemäße Kombination aus einem Faserverbund und einer Matrix, die beide Kohlenstoff enthalten, wird ein insbesondere unter Hochtemperaturbelastung formhaltiger und steifer Befestigungskörper geschaffen, der auch unter Hochtemperaturbelastung chemisch stabil ist und somit wieder die Isolationsmaterialien noch die im Hochtemperaturprozess gehandhabten Stoffe beeinflusst. Darüber hinaus weist der Faserverbund aufgrund seiner Zusammensetzung aus einzelnen Fasern eine Oberflächenrauhigkeit auf, die das Entstehen mechanischer Haftkräfte zwischen dem Befestigungskörper und den den Befestigungskörper umgebenden Materialien begünstigt.
Für die Ausbildung bzw. Fixierung der Matrix, insbesondere im Oberflächenbereich des Befestigungskörpers, bestehen unterschiedliche Möglichkeiten, wobei beispielsweise in dem Fall, dass die Matrix aus pyrolytisch auf dem Faserverbund abgeschiedenen Kohlenstoff besteht, eine zur Ausbildung von Haftkräften besonders vorteilhafte Oberfläche des Befestigungskörpers gegeben ist.
Eine besonders steif ausgebildete Befestigungseinrichtung bei gleichzeitig rau ausgebildeter Oberfläche des Befestigungskörpers wird möglich, wenn die Matrix durch eine vermittels eines CVI(Gasphaseninfiltration)-Verfahrens auf dem Faserverbund erzeugte Abschaltung ausgebildet ist.
Aufgrund der Gasphaseninfiltration ergibt sich eine besonders gute Haftung der einzelnen Fasern des Faserverbundes untereinander, die nicht nur an der Oberfläche des Faserverbundes, sondern darüber hinaus auch in seinem Innern ausgebildet ist.
Auch besteht die Möglichkeit, dass die Matrix durch eine vermittels eines CVD(Chemical-Vapour-Deposition)-Verfahrens auf dem Faserverbund erzeugte Abscheidung ausgebildet ist. Ein derartig hergestellter Faserverbund zeichnet sich durch eine besonders ausgeprägte Oberflächenrauhigkeit aus, was in Ausbildung entsprechend großer Haftkräfte zwischen dem Befestigungskörper und den umgebenden Befestigungsmaterialien begünstigt.
Darüber hinaus besteht auch die Möglichkeit, dass die Matrix aus karbonisiertem Kohlenstoffmaterial besteht, so dass die Befestigungseinrichtung auch ohne großen apparativen Aufwand einfach dadurch herstellbar ist, dass ein Faserverbund mit einer Harzbeschichtung belegt wird und nachfolgend verkokt wird.
Weiterhin kann es sich als positiv erweisen, wenn die Matrix aus einer Beschichtung aus Siliziumkarbid besteht, insbesondere dann, wenn es darum geht, die Oberfläche möglichst zerklüftet auszubilden. Auch hat sich die Ausbildung so genannter „Gradierter Systeme" bei der Herstellung der Matrix bewehrt, wobei die Matrixstruktur beispielsweise einen Dichtegradienten aufweisen kann. Ein derartiger Dichtegradient ist beispielsweise durch Ausbildung einer Materialschichtung mit unterschiedlichen Materialien herstellbar. Die Materialschichtung kann auch so ausgebildet sein, dass eine Kohlenstoff enthaltende Schicht und eine Silizium enthaltende Schicht aufeinander ausgebildet sind.
Als besonders vorteilhaft für einen funktionssicheren Einsatz des Befestigungskörpers erweist es sich, wenn dieser zumindest zwei stiftförmige, im Wesentlichen parallele Stiftteile und einen zwei gleichseitige Stiftenden miteinander verbindenden Jochteil aufweist. Hierdurch ist die Befestigungseinrichtung nach Art einer „Krampe" möglich. Dabei wer den die vorteilhaften Wirkungen der Stiftabschnitte des Befestigungskörpers kombinierbar mit dem Jochabschnitt, der als ein auf die Oberfläche der miteinander zu verbindenden Materialien wirkender Niederhalter ausgebildet ist.
Der Jochteil kann gemäß einer ersten Ausführungsform stiftförmig ausgebildet sein. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass der Jochteil nach Art eines Polygenzuges mit einander nachfolgend angeordneten, im Wesentlichen gradlinigen Abschnitten ausgebildet ist.
Zur Ausbildung des Faserverbundes bieten sich verschiedene Möglichkeiten der Verwendung konfektionierter Halbzeuge an, die die Herstellung der Befestigungseinrichtung kostengünstig ermöglichen. Beispielsweise kann zur Herstellung des Faserverbundes ein Gewebeschlauch aus Kohlefasermaterial verwendet werden. Auch ist es möglich, den Faserverbund als Flächenstruktur auszubilden, wobei hierzu als Halbzeug insbesondere ein Flächenschlauch oder eine Kordel, insbesondere Graphitkordel, vorteilhaft ist.
Die zwischen dem Faserverbund und den Faserverbund umgebenden, miteinander zu verbindenden Materialien ausgebildeten Haftkräfte lassen sich dadurch vorteilhaft erhöhen, indem die Fasern des Faserverbunds zumindest teilweise eine Länge aufweisen, die kürzer ist als der Faserverbund. Hieraus ergeben sich vom Faserverbund weg nach Außen gerichtete einzelne Fasern, die für eine entsprechende mechanische Verankerung in dem umgebenden Verbindungsmaterial sorgen.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Befestigungseinrichtung anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung einer als „Krampe" ausgeführten Befestigungseinrichtung in Gesamtansicht;
2 eine Teilvergrößerung der in 1 dargestellten Befestigungseinrichtung;
3 die Verwendung einer Befestigungseinrichtung zur Verbindung einer Mehrzahl von Materiallagen;
4 die Verwendung einer Befestigungseinrichtung zur Verbindung einer Folienlage mit einer Faserlage;
5 einen auf einen Wicklungsträger aufgewickelten Faserstrang.
1 zeigt eine Befestigungseinrichtung 10, umfassend einen Befestigungskörper 11, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel U-förmig ausgeführt ist mit zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten stiftförmigen Stiftteilen 12, 13, die bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel an ihren oberen Enden über einen, hier ebenfalls stiftförmig ausgebildeten Jochteil 14 einstückig miteinander verbunden sind. Der Befestigungskörper 11 ist aus einem Faserstrang 15 gebildet, der zur Ausbildung der Stiftteile 12, 13 und des Jochteils 14 in Übergangsbereichen 16, 17 im vorliegenden Fall etwa rechtwinklig abgewinkelt ist.
Die in 1 dargestellte, U-förmige Gestalt des Befestigungskörpers 11 kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass, wie in 5 dargestellt, ein zunächst endlos als Faserstrang 15 ausgebildeter Faserverbund zur Ausbildung der in 5 dargestellten Faserwicklung 18 um einen quaderförmig ausgebildeten Wicklungsträger 19 gewickelt wird. Der Faserstrang 15 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Graphitkordel gebildet, die eine Vielzahl von Fasern aufweist, die in einem Geflechtverbund angeordnet sind. Nach Herstellung der Faserwicklung 18 durch Umwickeln des Wicklungsträgers 19 kann die Ausbildung einer den Faserverbund in der dargestellten Form fixierenden Verbundmatrix 28 beispielsweise dadurch erfolgen, dass der Faserstrang 15 durch Gasphaseninfiltration (CVI) mit Pyrolysekohlenstoff infiltriert und dadurch versteift bzw. fixiert wird. Nach der Fixierung des Befestigungskörpers 11 wird der Faserstrang 15 in Längsrichtung des Wick lungsträgers 19, wie in 5 durch die Strichpunktiert dargestellte Trennlinie 20 angedeutet, durchtrennt, so dass durch Vereinzelung eine Vielzahl der in 1 dargestelltem Befestigungskörper 11 aus dem Faserstrang 15 entsteht.
Wie die 2 zeigt, in der ein Stiftteil 12 sowie der angegrenzte Übergangsbereich 16 zum Jochteil 14 vergrößert dargestellt ist, weist die Befestigungseinrichtung 10 bereits aufgrund des aus einzelnen Fasern 21 gebildeten Faserstrangs 15 eine raue bzw. strukturierte Oberfläche auf. Wenn, wie im vorliegenden Fall dargestellt, darüber hinaus die einzelnen Fasern 21 eine im Vergleich zum Faserstrang 15 geringe Länge aufweist, kommt es zur Ausbildung von aus dem Faserstrang 15 hervorragenden Faserenden 22, die in einer den Stiftteil 12 umgebenden, hier nicht näher dargestellten Materiallage Verankerungen ausbilden.
3 zeigt den Einsatz einer U-förmig, also nach Art einer „Krampe" ausgebildeten Befestigungseinrichtung 10 zur Verbindung mehrerer Materialschichten, wobei im vorliegenden Fall auf einer Hartfilzlage 23 zwei Weichfilzlagen 24 und 25 angeordnet sind, die im Bereich der Befestigungseinrichtung 10 einen Verbindungsstoß 26 ausbilden. Die Befestigungseinrichtung 10 dient demnach bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl zur Befestigung der Weichfilzlagen 24, 25 auf der Hartfilzlage 23 als auch zur Sicherung des Verbindungsstoßes 26 der Weichfilzlagen 24, 25 untereinander. Die in 3 dargestellte Befestigungskonfiguration lässt sich bereits durch einfaches manuelles Applizieren der Befestigungseinrichtung 10 erreichen, dadurch, dass auf den Jochteil 14 der Befestigungseinrichtung, wie in 3 angedeutet, eine Einpresskraft ausgeübt wird, mit der Folge, dass die Stiftteile 12, 13 in die Materiallage eindringen und es dort aufgrund der vorstehend erläuterten Ausführungen der Oberfläche des Befestigungskörpers 11 zu einer Verankerung kommt.
Abweichend vom dem in 3 dargestellten Verwendungsbeispiel der Befestigungseinrichtung 10, bei der diese zur Verbindung graphithaltiger Filzlagen verwendet wird, können, wie in 4 beispielhaft dargestellt, auch unterschiedlich ausgebildete Verbindungslagen vermittels der Befestigungseinrichtung 10 sicher und temperaturbeständig miteinander Verbunden werden. Bei dem in 4 dargestellten Verwendungsbeispiel dient die Befestigungseinrichtung 10 zur Verbindung einer Folie, insbesondere einer Graphitfolie 27 mit einer darunter angeordneten Gewebelage, die beispielsweise übereinstimmend mit dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Hartfilzlage 23 ausgebildet sein kann.

Claims

Befestigungseinrichtung mit einem zumindest abschnittsweise stiftförmigen Befestigungskörper, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungskörper (11) einen aus Fasern (21) gebildeten Faserverbund (15) mit Kohlenstoff- und/oder Siliziumfasern aufweist, der durch eine Kohlenstoff enthaltende Verbundmatrix (28) fixiert ist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmatrix (28) aus pyrolytisch auf dem Faserverbund (15) abgeschiedenen Kohlenstoff besteht.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmatrix (28) durch eine vermittels eines CVD-Verfahrens auf dem Faserverbund (15) erzeugte Abscheidung ausgebildet ist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmatrix (28) durch eine vermittels eine CVI-Verfahrens auf dem Faserverbund (15) erzeugte Abscheidung ausgebildet ist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmatrix (28) aus karbonisiertem Kohlenstoffmaterial besteht.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmatrix (28) aus einer Beschichtung aus Siliziumkarbid besteht.
Befestigungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundmatrix (28) eine gradierte Struktur aufweist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Verbundmatrix (28) einen Dichtegradienten aufweist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Struktur der Verbundmatrix (28) eine Materialschichtung aufweist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Materialschichtung eine Kohlenstoff enthaltende Schicht und eine Silizium enthaltende Schicht ausgebildet sind.
Befestigungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungskörper (11) zumindest zwei stiftförmige, im Wesentlichen parallel angeordneten Stiftteile (12, 13) und einen zwei gleichseitige Stiftenden miteinander verbindenden Jochteil (14) aufweist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Jochteil (14) stiftförmig ausgebildet ist.
Befestigungseinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Jochteil als Polygonzug ausgebildet ist.
Befestigungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbund (15) als Gewebeschlauch ausgebildet ist.
Befestigungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Faserverbund (15) als Flechtstruktur ausgebildet ist.
Befestigungseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern (21) des Faserverbunds (15) zumindest teilweise eine Länge aufweisen, die kürzer ist, als der Faserverbund.