DE2932201A1

DE2932201A1 - Verfahren zur herstellung eines durch eine dreidimensionale textilstruktur verstaerkten materials

Info

Publication number: DE2932201A1
Application number: DE19792932201
Authority: DE
Inventors: Bruno Bompard
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1978-08-08
Filing date: 1979-08-08
Publication date: 1980-02-21
Also published as: CA1121582A; FR2433003B1; GB2028230B; DE2932201C2; GB2028230A; JPS5851816B2; US4257835A; JPS55117628A; FR2433003A1

Description

Verfahren zur Herstellung eines durch eine dreidimensionale Textilstruktur verstärkten Materials

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine dreidimensionale Textilstruktur besteht aus Fäden, Fasern, Maschen usw., die in der Struktur in drei unterschiedlichen, im allgemeinen zueinander senkrechten Richtungen ausgerichtet sind. Dies verleiht der Textilstruktur eine hohe mechanische Festigkeit, ein hervorragendes Wärmeisoliervermögen und einen guten Widerstand gegen Stöße und Abrieb, insbesondere wenn die diese Struktur bildenden Fasern Hochleistungsfasern sind, wie Kohlenstoffasern, Graphitfasern usw.

So finden durch eine dreidimensionale Textilstruktur verstärkte Materialien zahlreiche Anwendungen, insbesondere für die Herstellung von Gegenständen mit einem großen Widerstand gegen Aufblättern, Stöße und Wärme. Derartige Gegenstände können z.B. als Bremsbeläge verwendet werden.

Die gegenwärtigen Verfahren zur Herstellung von durch eine dreidimensionale Textilstruktur verstärkten Materialien bestehen im allgemeinen in der Bereitung einer dreidimensionalen Textilstruktir, im darauffolgenden Tränken der Textilstruktur mit einem Material, wie einem warmaushärtbaren Harz, und schließlich im Polymerisieren des Harzes.

030008/0832

Gemäß diesen bisherigen Verfahren wird für gewöhnlich die dreidimensionale Textilstruktur hergestellt entweder aus Einzelfasern durch Webverfahren oder aus gestapelten Lagen, bestehend aus bidirektionalen Geweben oder aus parallelen Fasern, die sich alternativ von der einen zur anderen Lage in ersten bzw. zweiten Richtungen erstrecken. Dies erfolgt dadurch, dai3 die dritte Richtung in den aus Lagen bestehenden Stapel durch ein Nähverfahren eingebracht wird.

Diese bisherigen Verfahren haben zahlreiche Nachteile. Die Herstellung der dreidimensionalen Textilstruktur erfordert ein komplexes, spezielles und teures Material, insbesondere an die Verarbeitung einer derartigen Struktur speziell angepaßte Webstühle oder Nähmaschinen.

Überdies können diese Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Textilstrukturen nur zu Gegenständen mit begrenzter Dicke führen, die überdies eine gewisse Anzahl von Lücken aufweisen, deren Vorhandensein sich bei den abschließenden Tränk- und Polymerisationsvorgängen als schädlich erweist. Dadurch, daß der Zutritt des Harzes in die Struktur durch Kriechen längs der Fasern erfolgt, macht das Vorhandensein dieser Hohlräume das vollständige Tränken schwierig. Überdies führt das Vorhandensein dieser Lücken zu Inhomogenen Gegenständen mit aus diesem Grund verminderten Eigenschaften, insbesondere bezüglich des Abriebwiderstands.

Aufgabe der Erfindung ist insbesondere die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer dreidimensionalen Textilstruktur, die die genannten Nachteile vermeidet.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Anspruchs 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand

030008/0832

der Unteransprüche.

Das Verfahren nach der Erfindung v/eist insbesondere den Vorteil einer leichten Ausführbarkeit auf, da es keinerlei spezielles, komplexes und teures Material zur Bildung der dreidimensionalen Struktur benötigt.

Dadurch, daß gemäß dem Verfahren nach der Erfindung die dreidimensionale Struktur durch Einsetzen von Fasern hergestellt V7ird, die sich längs der dritten Richtung in Durchgängen erstrecken, die vorher in einem Stapel aus verdichteten Faserlagen gebildet wurden, wird überdies in maximaler Weise die Bildung von Hohlräumen in der Struktur begrenzt. Dies ermöglicht beim abschließenden Verdichtungsschritt ein zufriedenstellendes Tränken der Textilstruktur mit einem geeigenten Material und ein verstärktes Material mit einer Fasermaterialdichte, die in allen Zonen des Haterials praktisch gleich und konstant ist.

Schließlich ermöglicht das Verfahren nach der Erfindung die Ausführung des Verdichtungsschritte ohne die Gefahr einer Abänderung der.Ausrichtung und Verteilung der die dreidimensionale Textilstruktur bildenden Fasern.

Gemäß der Erfindung können die verwendeten Fasern aus natürlichen oder synthetischen Fasern bestehen, die in Form von gegebenenfalls verdrillten endlosen oder unterbrochenen Filamenten vorliegen.

Beispiele für verwendbare Fasern sind Kohlenstoffasern,
Graphitfasern, Glasfasern, Siliciumdioxidfasern und aromatische Fasern, wie Kevlar-Fasern.

Das Verfahren nach der Erfindung kann auch unter Verwendung von Fasern unterschiedlicher Art durchgeführt werden zur Her-

030008/0832

2932701

Stellung der dreidimensionalen Struktur, die durch den Stapel aus Faserlagen und aus länps der dritten Richtung eingesetzten Fasern besteht. So können durch Kombination verschiedener Fasern zusammengesetzte Materialien erhalten werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der verschie

denen Herstellungsphasen eines Materials nach der Erfindung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Elementar

struktur einer nach den Verfahren des Standes der Technik erzielten dreidimensionalen Textilstruktur;

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Elementar

struktur des durch das Verfahren der Erfindung erzielten Materials.

Fig. 1 zeigt schematisch die unterschiedlichen Phasen des Verfahrens nach der Erfindung. Die der Verstärkung dienende dreidimensionale Textilstruktur wird erhalten einerseits aus einem Stapel 1 von verdichteten Faserlagen 3 und 5, die so angeordnet sind, daß sich die Fasern der Faserlagen im Stapel in zwei Richtungen OX und OY erstrecken, und andererseits aus Fasern 7, die sich längs einer dritten Richtung OZ erstrecken.

Die Faserlagen 3 und 5 bestehen jeweils aus zueinander parallelen Fasern, wobei die Fasern der Faserlage 3 in der Richtung OX und die Fasern der Faserlage 5 in der Richtung OY ausgerichtet sind. Die Faserlagen werden vorher durch Tränken mittels eines polymerisierbaren Harzes und durch anschlies-

030008/0832

ORIGINAL INSPECTED

sendes teilweises Polymerisieren des Harzes verdichtet.

Selbstverständlich können die Faserlagen 3 und 5 durch ein bidirektionales Gewebe mit Kette und Schuß gebildet werden, in dem sich die Fasern in den Richtungen OX und OY erstrecken.

Die Faserlagen 3 und 5 sind mit Perforationen 9 versehen, die in den Faserlagen durch herkömmliche Techniken, z.B. durch Stanzen, gebildet wurden. Die Perforationen 9 der aufeinanderfolgenden Faserlagen decken sich in der Weise, daß sie im Stapel 1 in der Richtung OZ sich erstreckende Durchgänge bilden.

Wenn auch in der Zeichnung die Richtungen OX, OY und OZ zueinander senkrecht stehen, können sie ohne weiteres voneinander abweichen, insbesondere können die Perforationen 9 der aufeinanderfolgenden Faserlagen im Stapel schräg verlaufende Durchgänge bilden.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung wird der Stapel 1 dadurch gebildet, daß abwechselnd verdichtete Faserlagen 3 und 5 aufeinandergelegt und z.B. mittels eines Montagerahmens 11 zusammengehalten werden, damit die Perforationen 9 sich gut decken und durchlaufende Durchgänge bilden, die sich in der Richtung OZ erstrecken.

Dann werden in die Durchgänge 9 die Fasern 7 eingeführt, die vorzugsweise vorher in Form von Stangen vereinigt werden, die zuvor auf den Durchmesser der Perforationen derart kalibriert sind, daß sie den in den Durchgängen 9 verfügbaren Raum vollständig ausfüllen.

Diese Stangen können z.B. aus einer Anordnung von parallelen, verdichteten und durch ein präpolymerisiertes Harz zusammengehaltenen Fasern bestehen.

030008/0832

ORIGINALJMSEECTED

- ίο -

Nach dem Einführen der Fasern 7 in den Stapel wird die auf diese Weise erhaltene Anordnung in einer Presse kompakt gemacht. Dann erfolgt die Verdichtung der durch herkömmliche Verfahren kompakt gemachten Anordnung, z.B. durch Tränktechniken mittels polymerisierbarer Harze, etwa Epoxidharze, Phenolharze oder Polyesterharze, wobei diese Tränkbehandlung von einer Polymerisationsbehandlung des Harzes gefolgt wird, oder durch Niederschlag von pyrolytischem Kohlenstoff aus einem gasförmigen Kohlenwasserstoffstrom, etwa Methan oder Propan, oder auch noch durch Tränken mittels eines pyrolysierbaren Harzes, gefolgt von einer thermischen Pyrolysebehandlung des Harzes.

Fig. 2 und 3 zeigen eine Elementarmasche einer dreidimensionalen Struktur, hergestellt durch Webverfahren nach dem Stand der Technik bzw. eine Elementarmasche des durch das Verfahren nach der Erfindung erhaltenen Materials. Im Fall von Fig. 2 führt das Kreuzen dreier Reihen von Fasern 11,13 und 15, die in den Richtungen OX, OY bzw. OZ ausgerichtet sind, zur Bildung von zwei diametral gegenüberliegenden Hohlräumen 16, die wenigstens 25% des theoretischen Gesamtvolumens einnehmen, das von den Fasern in dieser Elementarmasche eingenommen wird. Im Gegensatz hierzu führt im Fall von Fig. 3 das Kreuzen dreier Reihen von Fasern 3,5 und 7» die in den Richtungen OX,OY bzw. OZ ausgerichtet sind, nicht zur Bildung von Hohlräumen oder Lücken in der Elementarmasche.

Somit gestattet das Verfahren nach der Erfindung die Erzielung von Materialien , in denen der Koeffizient für die Füllung mit Fasern maximal groß ist, während bei den bisherigen Verfahren das Vorhandensein von Lücken 16 in der dreidimensionalen Struktur nur zu inhomogenen Gegenständen führt, die in ihren faserfreien Zonen verminderte Eigenschaften haben.

030008/0832

2937201

Im folgenden ist ein Ausfuhrungsbeispiel eines durch eine dreidimensionale Struktur aus Kohlenstoffasern verstärkten Materials gegeben.

Aus einem Kohlenstoffasern mit 3000 Filamenten von 7 Mikton Durchmesser und einer linearen Masse von 1o60 detex wird, ein Kohlenstoffgewebe mit 7,5 Fäden/cm in Kette und Schuß in Atlasbindung mit dem Wert 5 gewebt, wobei die Dichte des Kohlenstoffs den Wert 1,74 hat.

Das auf diese Weise hergestellte Gewebe wird mit einem Phenolharz in der Weise getränkt, daß der Volumenprozentsatz an Harz 30% beträgt. Dann wird das vorgetränkte Gewebe in Platten von 44 χ 44 cm geschnitten. Diese Platten werden auf eine Heizpresse gelegt zur Polymerisation des Harzes und zur Zurückführung des Volumenprozentsatzes des Harzes auf 20Sa. Das überschüssige Harz wird natürlich durch einfaches Überfließen am Umfang der Platte beseitigt. Man erhält auf diese Weise verdichtete Platten mit einer Dicke von 0,3 mm.

Nach dieser Polymerisationsbehandlung werden die erhaltenen Platten zu Platten von 22 χ 22 cm geschnitten unter Beachtung der Ausfluchtung der Kett- und Schußfäden während des Schneidens. Dann wird jede Platte von 22 χ 22 cm in eine Lochstanze gelegt, die hundert regelmäßig und geradlinig mit Abständen von 1 mm verteilte Lochstempel mit einem Durchmesser von 1 mm aufweist. In jeder Platte wird nach einer Verschiebung der Lochstanze durch hundertfache Wiederholung dieses Vorgangs an derselben Platte einer Lochreihe in der Weise hergestellt, daß Platten von 22 χ 22 cm mit 10 000 regelmäßig verteilten Löchern erhalten werden.

Die auf diese Weise erhaltenen Platten haben die folgenden Eigens chaften:

030008/0832

ρ p

Gewicht je m Fasern vor der Perforation: 295 g/m ;

ρ ρ

- Gewicht je m Fasern nach der Perforation: 237 g/m .

Nachdem auf diese Weise 650 Platten von 22 χ 22 cm perforiert sind, werden sie im in Fig. 1 dargestellten Montagerahmen gestapelt zur Erzielung eines Blocks von 22 χ 22 cm Grundfläche und 26 cm Höhe.

In die Durchgänge, die durch die vollkommen ausgefluchteten Löcher der Platten gebildet sind, werden verdichtete, begradigte Stangen eingeführt. Diese Stangen sind aus mit teilweise polymerisierten, harzgetränkten Kohlenstoffsträngen hergestellt und haben einen Durchmesser von 0,95 mm und einen Titer von 12000 detex.

Nach dem Einführen dieser begradigten Stangen wird die Anordnung durch Klemmplatten kompakt gemacht und die Dicke des Blocks auf 20 cm zurückgeführt. Danach wird er einer Verdichtung unterworfen, indem er mit einem Phenolharz getränkt und dann einer Carbonisationsbehandlung unterworfen wird.

Der auf diese Weise erhaltene Block hat nach der Verdichtungsbehandlung die folgenden Eigenschaften:

Dichte des Materials (nur Fasern) Dichte des Kohlenstoffs Prozentsatz an Fasern

Verteilung der Fasern in Richtung OX Verteilung der Fasern in Richtung OY Verteilung der Fasern in Richtung OZ Teilung

1,09 ;

1,74 ;

63% ;

38,5% ;

23% ;

0,3x2x2

Somit weist das erhaltene Material eine sehr wichtige Besonderheit auf , die sich durch eine extreme Feinheit der Teilung zwischen den Fäden der Richtungen

030008/0832

ORIGINAL INSPECTED

2932ΗΠ

OX und OY auszeichnet. Diese Feinheit der Teilung erweist sich als sehr wichtig, da ein Material mit fein verteilter Porosität erhalten wird.

V/enn auch bei diesem Beispiel Faserlagen aus einen bidirektionalen Gewebe verwendet wurden, können selbstverständlich diese Faserlagen ersetzt werden durch Lagen mit parallelen Fasern mit beispielsweise einer Dicke von 100 I-iikron oder auch durch z.B. Textillagen in Form von dickem Gewebe, triaxialem Gewebe oder Filz. Der Stapel kann außerdem dadurch hergestellt werden, daß Faserlagen aus einem bidirektionalen Gewebe und Lagen mit parallelen Fasern äbereinandergelegt werden.

Bei Verwendung von Lagen mit parallelen Fasern können diese Lagen im Stapel in der Weise angeordnet werden, daß z.B. die Ausrichtung von fünf aufeinanderfolgenden Lagen in der Weise abgeändert wird, daß die Fasern in diesen Lagen in der OX-Richtung und dann unter Winkeln von 30°, 45°, 60° gegenüber der OX-Richtung und schließlich in der OY-Richtung angeordnet werden, was eine weitere Verbesserung der Feinheit der erhaltenen Teilung ermöglicht.

Das Verfahren nach der Erfindung hat somit eine große Flexibilität und kann an die Herstellung verschiedener Materialien umso mehr angepaßt werden, als auch die Art der Fasern variiert werden kann, die in den den Stapel bildenden Lagen und in den in der dritten Richtung eingesetzten Stangen verwerndet werden, wobei die verschiedenen Fasern in geeigneter Weise miteinander kombiniert werden können.

Schließlich ermöglicht das Verfahren nach der Erfindung die Herstellung von Gegenständen gewünschter Form, entweder unmittelbar, z.B. durch Wickeln von perforierten Faserlagen auf einem Dorn geeigneter Form vor dem Einsetzen der sich in der

Q30008/0 832
ORIGINAL INSPECTED

dritten Richtung erstreckenden Fasern, oder indirekt durch anschließendes Umwandeln eines durch Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung erhaltenen Gegenstands durch Bearbeiten.

030008/0832

ORIGINAL INSPECTED

Leerseite

Claims

BEETZ-LAMPRECHT-BEETZ aOQ München 22 - Steinedorfstr. 10 4lo-3o.oo4P 8. Aug. 1979 COMMISSARIAT A L1ENERGIE ATOMIQUE Paris, Frankreich Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines durch eine dreidimensionale Textilstruktur verstärkten Materials, gekennzeichnet

durch Herstellen von verdichteten Faserlagen, -' durch Bilden eines Stapels aus Faserlagen, die mit Perforationen versehen und so angeordnet sind, daß die Fasern der Faserlagen im Stapel sich längs wenigstens zweier Richtungen, einer ersten und einer zweiten Richtung, in der Ebene der Faserlagen erstrecken, und daß die Perforationen im Stapel in einer dritten Richtung sich erstreckende Durchgänge bilden,

- durch Einsetzen von in der dritten Richtung sich erstreckenden Fasern in die Durchgänge und

durch Verdichten der auf diese ./eise erhaltenen Anordnung.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

- daß der Stapel aus verdichteten Faserlagen dadurch gebildet wird,

- daß die Faserlagen übereinander gelegt und dann per-

41O-(B6435.3 GP)

030008/0832

foriert werden zur Bildung von in der dritten Richtung sich erstreckenden Durchgängen im Stapel.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel aus verdichteten Faserlagen dadurch gebildet wird, daß die Faserlagen zuerst perforiert und dann derart ubereinandergelegt werden,

- daß die Perforationen der übereinandergelegten Faserlagen im Stapel in der dritten Richtung sich erstreckende Durchgänge bilden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verdichteten Faserlagen aus einem verdichteten bidirektionalen Gewebe gebildet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß die verdichteten Faserlagen aus verdichteten parallelen Fasern gebildet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stapel dadurch hergestellt wird, daß verdichtete Faserlagen ubereinandergelegt werden, die aus einem verdichteten bidirektionalen Gewebe und aus durch verdichtete parallele Fasern gebildeten Faserlagen gebildet sind.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die verdichteten Faserlagen hergestellt werden

- durch Tränken mit einem polymerisierbaren oder pyroly-

030008/0832

sierbaren Harz und

durch anschließendes teilweises Polymerisieren oder Pyrolysieren des Harzes.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß in die Durchgänge des Stapels die in der dritten Richtung sich erstreckenden Fasern in Form von Stangen eingesetzt werden, die aus einer Anordnung von parallelen verdichteten Fasern bestehen, durch ein präpolymerisiertes Harz zusammengehalten werden und auf die in der dritten Richtung sich erstreckenden Durchgänge kalibriert sind.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die auf diese Weise erhaltene Anordnung dadurch verdichtet wird,

- daß sie mit einem polymerisierbaren oder pyrolisierbaren Harz getränkt wird, das dann polymerisiert oder pyrolisiert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

- daß die auf diese Weise erhaltene Anordnung dadurch getränkt wird,

daß aus einem Strom von gasförmigem Kohlenwasserstoff pyrolytischer Kohlenstoff abgelagert wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

daß die Fasern gewählt werden aus einer Gruppe von Kohlenstofffasern, Graphitfasern, Glasfasern, Siliciumdioxidfasern und aromatischen Fasern.

030008/0832

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Harz gewählt wird aus einer Gruppe von Phenolharzen, Epoxidharzen, Polyesterharzen und Polyvinylacetat.

030008/0832