DE2932201A1 - Verfahren zur herstellung eines durch eine dreidimensionale textilstruktur verstaerkten materials - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines durch eine dreidimensionale textilstruktur verstaerkten materialsInfo
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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.
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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
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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.
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-
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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-
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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.
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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.
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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:
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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% ;
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
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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
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dritten Richtung erstreckenden Fasern, oder indirekt durch anschließendes Umwandeln eines durch Durchführung des Verfahrens
nach der Erfindung erhaltenen Gegenstands durch Bearbeiten.
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ORIGINAL INSPECTED
Leerseite
Claims (12)
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,
dadurch gekennzeichnet,
- daß der Stapel aus verdichteten Faserlagen dadurch gebildet wird,
- daß die Faserlagen übereinander gelegt und dann per-
41O-(B6435.3 GP)
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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-
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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.
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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.
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