DE3933715A1 - Zusammengesetztes material aus kohlenstoff - Google Patents

Zusammengesetztes material aus kohlenstoff

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Description

Aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material gehört einer Gruppe von Materialien an, die aus Kohlenstoff-Fasern in einer Kohlenstoffmatrix bestehen. Diese Materialien haben erwünschte Eigenschaften, insbesondere bei hohen Temperaturen. Beispielsweise wird nicht nur die Festigkeit bei Temperaturen bis 2000°C beibehalten, sondern tatsächlich noch erhöht gegenüber dem Wert bei Raumtemperatur. Jedoch oxydiert das Material in einer oxydierenden Atmosphäre bei Temperaturen über 500°C, wodurch es schnell Masse und Festigkeit verliert.
Es wurden verschiedene Versuche unternommen, um die Oxydation zu verhindern, wie mittels Additiven und Beschichtungen, jedoch mit unterschiedlichem Erfolg. Eine bekannte Beschichtung verwendet ein undurchlässiges hitzebeständiges Material wie Siliziumkarbid oder Siliziumnitrit. Ein Problem bei einem solchen Material ist, daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient viel höher ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materials in axialer Richtung der Kohlenstoff-Fasern. Dementsprechend tendieren Überzüge aus hitzebeständigem Material zur Rißbildung und zum Abblättern aufgrund der unterschiedlichen Expansion oder Kontraktion des zusammengesetzten Materials gegenüber der Beschichtung, wenn das zusammengesetzte Material Temperaturänderungen ausgesetzt wird. Dieses Problem existiert bei zusammengesetzten Materialien verschiedener Art einschließlich jener, bei denen die Fasern unregelmäßig angeordnet sind, insbesondere aber dann, wenn die Fasern im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene liegen, und um so mehr, wenn die Fasern so ausgerichtet sind, daß sie alle im wesentlichen in einer Richtung liegen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material vorzusehen, das in verringertem Maße zur Rißbildung oder zum Abblättern der Beschichtung aufgrund von Temperaturänderungen neigt. Weiterhin soll ein beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material vorgeschlagen werden, das einen erwünschten Ausdehnungskoeffizienten wenigstens in einem gegebenen Bereich aufweist.
Erfindungsgemäß weist ein beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material Kohlenstoff-Fasern in einer Kohlenstoffmatrix auf und es enthält auch in wenigstens einem Bereich andere Fasern mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Achsrichtung, der unterschiedlich ist von dem der Kohlenstoff-Fasern, wobei die anderen Fasern bezüglich der angrenzenden Kohlenstoff- Fasern so angeordnet sind, daß sich in Verbindung mit der Kohlenstoffmatrix der erforderliche thermische Ausdehnungskoeffizient dieses Bereichs des zusammengesetzten Materials ergibt, wobei dieser Bereich des zusammengesetzten Materials mit einer antioxydierenden Beschichtung überzogen ist.
Um die Probleme zu überwinden, die bei den oben erwähnten bekannten antioxydierenden Beschichtungen auftreten, kann erfindungsgemäß in einem aus Kohlenstoff zusammengesetzten Material eine Zwischenschicht vorgesehen sein, die andere Fasern umfaßt, die in einer Kohlenstoffmatrix eingebettet sind, wobei diese anderen Fasern aus einem Material bestehen, das vorzugsweise einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat als den der Kohlenstoff- Fasern, mit dem Ergebnis, daß die Zwischenschicht einen höheren Ausdehnungskoeffizienten hat als die verbleibenden Teile des aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materials. Zweckmäßigerweise kann die Zwischenschicht oder Grenzschicht auch Kohlenstoff-Fasern enthalten. Der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht kann so ausgelegt werden, daß er zwischen dem eines Kernbereichs des aus Kohlenstoff-Fasern zusammengesetzten, verstärkten Materials und dem der antioxydierenden Beschichtung liegt. Wenn die Kohlenstoff-Fasern in einem Oberflächenbereich des aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materials, das an die Zwischenschicht angrenzt, eine bevorzugte Orientierung haben, so daß sie im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene oder Richtung ausgerichtet sind, sind vorzugsweise die anderen Fasern und übrigen Kohlenstoff-Fasern der Zwischenschicht jeweils in entsprechender Weise im wesentlichen ausgerichtet angeordnet.
Andererseits können die Fasern aus einem Material mit höherem thermischem Ausdehnungskoeffizienten durch die Kohlenstoffmatrix hindurch eingelagert sein, so daß ein Gemisch aus Kohlenstoff-Fasern und anderen Fasern dem gesamten Material einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verleiht, der unterschiedlich von dem eines ähnlichen zusammengesetzten Materials ist, das nur Kohlenstoff-Fasern enthält. Wenn die Kohlenstoff-Fasern eine bevorzugte Orientierung haben, so daß sie im wesentlichen in einer gemeinsamen Ebene oder Richtung ausgerichtet angeordnet sind, sind vorzugsweise die anderen Fasern in entsprechender Weise im wesentlichen ausgerichtet angeordnet.
Bei diesen Ausführungsbeispielen können übliche Verfahren zum Ablagern und Verfestigen, beispielsweise chemische Dampfablagerung (CVD) eingesetzt werden, um die Kohlenstoffmatrix um die Kohlenstoff-Fasern und die anderen Fasern der Verstärkungseinlage anzubringen.
Ein Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft das Vorsehen einer antioxydierenden Beschichtung an freiliegenden Umfangslaufflächen von Kohlenstoffscheiben einer aus mehreren Scheiben aufgebauten Flugzeugscheibenbremse. Bei dieser Anwendung können die Kohlenstoffscheiben oder wenigstens jene Abschnitte oder Oberflächenbereiche der Scheiben, die der Oxydation ausgesetzt sind, erfindungsgemäß so ausgebildet werden, daß sie einen höheren thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben als den eines normalen aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materials, wobei die antioxydierende Beschichtung auf diese Abschnitte oder Oberflächenbereiche aufgebracht wird.
Es ist auch möglich, daß für bestimmte Anwendungsgebiete ein niedrigerer thermischer Ausdehnungskoeffizient erwünscht ist. Bei solchen Anwendungen können Fasern aus einem Material mit einem niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten in Verbindung mit den Kohlenstoff- Fasern verwendet werden.
Das Einlagern von Kohlenstoff- und anderen Fasern in einem Gewebe kann durch an sich bekannte Techniken vorgenommen werden, wie sie in der Textilindustrie gebräuchlich sind.
Nach einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel enthält ein beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes Element 10, das in Fig. 1 im Schnitt und teilweise aufgebrochener perspektivischer Ansicht in Fig. 2 wiedergegeben ist, Zwischenschichten 2 zwischen den oberen und unteren Hauptflächen eines üblichen aus Kohlenstoff zusammengesetzten Materialkerns 3 und eine antioxydierende Beschichtung 1 auf den freiliegenden Hauptflächen der Zwischenschicht 2. Äußere Bereiche 8 a des Kerns weisen Kohlenstoff-Fasern auf, die überwiegend so angeordnet sind, daß sie sich in der Ebene der Fig. 1 in einer Richtung Seite an Seite, wie dargestellt, erstrecken, während die Fasern der angrenzenden Zwischenschichten 2 in entsprechender Weise ausgerichtet sind.
Die Zwischenschichten, die in das Element während dessen Herstellung ( durch ein CVD-Verfahren ) eingebaut werden, umfassen ein Gewebe aus "Nicalon", Warenzeichen für durchgehende Fasern aus Siliziumcarbid, hergestellt durch NIPPON CARBON CO. LTD. Die Hersteller geben einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 3,1×10-6/°C für dieses Material an, während normale aus Kohlenstoff zusammengesetzte Materialien in der Achsrichtung der Fasern einen Ausdehnungskoeffizienten von -1 bis +1×10-6/°C haben.
Eine Abdeckschicht 1 aus Siliziumcarbid, die auf die Zwischenschichten aufgebracht ist, hat einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von annähernd 5×10-6/°C. Bei diesem Beispiel hat eine Schicht aus Siliziumcarbidfasern in einer Kohlenstoffmatrix einen Ausdehnungskoeffizienten, der zwischen denen der Beschichtung und des aus Kohlenstoff zusammengesetzten Kerns liegt.
Die Abdeckschicht umfaßt zusätzlich Randabschnitte 1′ an den Randbereichen des Kerns und der Zwischenschichten.
Es wäre möglich, den erwünschten Ausdehnungskoeffizienten dadurch zu erhalten, daß man ein zusammengesetztes Material aufbaut, in dem eine Kohlenstoffmatrix nur mit beispielsweise Siliziumcarbidfasern verstärkt ist. Jedoch sind Kohlenstoff-Fasern erheblich billiger als Siliziumcarbid-Fasern und auch die Festigkeitseigenschaften von Siliziumcarbid fallen bei 1000°C ab, während Kohlenstoff-Fasern ihre Festigkeit bis auf 2000°C beibehalten. Gemäß der Erfindung wird somit eine relativ billige und wirksame Lösung des Problems der Rißbildung und des Abschälens der antioxydierenden Beschichtung vorgeschlagen.
Die Erfindung ist insbesondere geeignet für den Aufbau von Kohlenstoffscheiben für Flugzeugbremsen. Die Beschichtung kann an den freiliegenden Laufflächen vorgesehen werden, um diese vor Oxydation zu schützen.

Claims (9)

1. Beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material (10), das Kohlenstoff-Fasern in einer Kohlenstoffmatrix aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß es wenigstens in einem Bereich (2) andere Fasern mit einem unterschiedlichen axialen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gegenüber dem der Kohlenstoff- Fasern aufweist, wobei diese anderen Fasern relativ zu den angrenzenden Kohlenstoff-Fasern so angeordnet sind, daß sich in Verbindung mit der Kohlenstoffmatrix ein geforderter thermischer Ausdehnungskoeffizient dieses Bereichs des zusammengesetzten Materials ergibt, wobei dieser Bereich des zusammengesetzten Materials mit einer antioxydierenden Beschichtung (1) überzogen ist.
2. Aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Ausdehnungskoeffizient der anderen Fasern größer ist als der der Kohlenstoff-Fasern.
3. Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Fasern in einer Zwischenschicht (2) vorgesehen sind, welche diese anderen Fasern eingebettet in einer Kohlenstoffmatrix umfaßt.
4. Material nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Ausdehnungskoeffizient der Zwischenschicht (2) zwischen dem der mit Kohlenstoff-Fasern verstärkten Matrix (3) und dem der antioxydierenden Beschichtung (1) liegt.
5. Material nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Fasern durch die gesamte Kohlenstoffmatrix hindurch eingelagert sind.
6. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Fasern aus Siliziumcarbid bestehen.
7. Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Fasern im wesentlichen ausgerichtet angeordnet sind, so daß sie in einer gemeinsamen Ebene oder Richtung liegen.
8. Material nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene oder Richtung der Ausrichtung der anderen Fasern im wesentlichen parallel zur Ebene oder Richtung der Ausrichtung der Kohlenstoff- Fasern des zusammengesetzten Materials (10) ist.
9. Flugzeugscheibenbremse, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein beschichtetes, aus Kohlenstoff zusammengesetztes Material nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.
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