WO2011042246A1 - Verbundwerkstoff aus carbonfaser-weichfilz und carbonfaser-hartfilz - Google Patents

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Sebastian Kapaun
Oswin ÖTTINGER
Karl Hingst
Elmar Eber
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Sgl Carbon Se
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Definitions

  • the present invention relates to a composite material and more particularly to a high temperature resistant composite material.
  • thermal insulation in high temperature applications such as thermal insulation in high temperature furnaces
  • materials based on carbon are often used because of their high heat stability and their chemical inertness to the substances present in the furnace interior.
  • composite materials have already been proposed as thermal insulation in high-temperature applications, which comprise, for example, a layer of carbon fiber-reinforced carbon and a graphite foil.
  • the layer of carbon-fiber-reinforced carbon prevents heat loss due to heat conduction
  • the graphite foil has a reflective effect and therefore prevents heat loss due to thermal radiation.
  • this object is achieved by a composite material which comprises at least one layer of carbon fiber soft felt and at least one layer of carbon fiber hard felt, wherein the at least one layer of carbon fiber soft felt is bonded to the at least one layer of carbon fiber hard felt via a binder ,
  • this composite material due to the Combination soft felt hard felt compared to an existing solely hard felt material of the same size better heat insulating properties. Because of these properties, the composite material according to the invention is, inter alia, outstandingly suitable for use as thermal insulation in high-temperature furnaces. Due to its ease of processing, the composite material according to the invention is particularly suitable for use in the repair of existing thermal insulation based on hard felt, in which, for example, a part of an existing thermal insulation, which consists for example solely of hard felt, fit through the composite material according to the invention is replaced.
  • (carbon fiber) hard felt in accordance with the definition customary in the relevant field, refers to a felt which contains not only carbon fibers but also a matrix of binder, whereas (carbon fiber) soft felt is a felt which does not have a matrix or a felt contains no binder. Because of this soft felt is flexible, whereas hard felt is dimensionally stable.
  • carbon fibers are also generally understood as meaning fibers from carbonaceous starting materials in accordance with the definition customary in the relevant field of the art.
  • the at least one layer of carbon fiber soft felt is bonded to the at least one layer of carbon fiber hard felt via a binder.
  • a binder By this is meant here that the two layers are directly connected to each other due to the action of a binder, wherein the binder between the soft felt layer and the hard felt layer may be formed as an intermediate layer or the soft felt layer and the hard felt layer connected to each other by at the interfaces of the adjacent felt layers binder can be without between the two felt layers an intermediate layer of binder must be formed.
  • it is preferably a large-area connection, ie the two felt layers are connected to each other at least substantially over their entire contact surface by a binder.
  • the contact surface of the two felt layers is preferably formed by a respective flat side of the felt layers. Since the two flat sides are never completely or ideally planar, in reality the two flat sides will not touch each other over the entire surface, but touch over a multiplicity of contact areas. In this case, preferably at least substantially all areas of contact are connected to one another via a binder.
  • binders for this purpose, all binders can be used which can firmly connect a hard felt layer and a soft felt layer, particular preference being given to carbonaceous binders and very particularly preferably those selected from the group consisting of phenolic resins, pitches, furan resins, phenyl esters, epoxy resins and Any mixtures of two or more of the aforementioned compounds can be used.
  • a binder selected from the aforementioned group is used, which contains flat-formed particles of natural graphite and / or expanded graphite, where "flat particles” are here understood to mean particles having a larger dimension in the surface ( Diameter) as the thickness.
  • the mean diameter of the particles may, for example, be between 1 and 250 ⁇ m and preferably between 5 and 55 ⁇ m.
  • Such binders have a high degree of anisotropy, wherein the heat conduction is only slightly pronounced over the interface between the adjacent layers because the flat anisotropic particles align themselves parallel to the adjacent material layers.
  • These binders are then cured thermally and / or chemically, wherein the chemical curing can be achieved for example by acid addition and the thermal curing, for example at a temperature of at least 50 ° C and preferably at 100 to 200 ° C. can be. After curing, optional carbonation or graphitization may be performed.
  • the at least one layer of carbon fiber soft felt can have any desired layer thickness.
  • good results are obtained especially in view of excellent heat-insulating properties and good workability of the composite material when the at least one layer of carbon fiber soft felt has a thickness between 1 and 100 mm, preferably between 1 and 50 mm and more preferably between 2 mm and 20 mm.
  • the present invention is not particularly limited.
  • the at least one layer of carbon fiber soft felt has a density between 0.01 and 1 g / cm 3 , preferably between 0.05 and 0.5 g / cm 3 and more preferably between 0.08 and 0.15 g / cm 3 .
  • the at least one layer of carbon fiber soft felt has a basis weight between 50 and 10,000 g / m 2 , more preferably between 100 and 5,000 g / m 2 and most preferably between 200 and 1,500 g / m 2 .
  • the carbon fibers of the at least one soft felt layer have a length between 0.1 and 500 mm, preferably between 1 and 250 mm and particularly preferably between 40 and 100 mm.
  • the carbon fibers of the at least one soft felt layer have a fineness between 0.1 and 100 dtex, preferably between 0.5 and 25 dtex and particularly preferably between 1 and 5 dtex.
  • the carbon fiber soft felt layer can be made by entangling fibers of suitable starting materials by felts before the felt is carbonized or optionally graphitized.
  • the carbonization is preferably carried out at a temperature of at least 600 ° C and at most 1, 500 ° C, whereas the optional graphitization is preferably carried out at a temperature between 2,000 ° C and 2,500 ° C.
  • the implementation of graphitization is particularly preferred when the composite material produced using the soft felt layer should be particularly stable or inert to chemicals, in particular to molecular oxygen.
  • the carbonation or graphitization can also be carried out as a final step of composite production, namely only after the individual layers of the composite have been arranged one above the other.
  • the carbon fiber soft felt layer can also be prepared by first carbonizing or graphitizing fibers of suitable starting materials before the carbon fibers thus obtained are felted.
  • fibers of any carbonaceous material can be used as the starting fibers, provided that this can be carbonized by a heat treatment to carbon or graphitized to graphite.
  • Cellulosic fibers, polyacrylonitrile fibers (PAN fibers), peroxidized polyacrylonitrile fibers (PANOX fibers) and pitch fibers have proven particularly suitable for this purpose.
  • PAN fibers polyacrylonitrile fibers
  • PANOX fibers peroxidized polyacrylonitrile fibers
  • pitch fibers Preferably monofin lamente from a material, for example, exclusively polyacrylonitrile, used.
  • a fiber mixture for example a mixture of polyacrylonitrile fibers and of cellulose fibers, or bifilaments, ie fibers which, for example in the form of a core-shell structure, contain both polyacrylonitrile and cellulose.
  • the at least one layer of carbon fiber hard felt preferably also has a layer thickness of between 1 and 100 mm, preferably between 1 and 50 mm and particularly preferably between 2 mm and 20 mm.
  • the at least one layer of carbon fiber hard felt have a density between 0.02 and 2 g / cm 3 , more preferably between 0.1 and 1.0 g / cm 3 and most preferably between 0 , 15 and 0.3 g / cm 3 .
  • the basis weight of the at least one layer of carbon fiber hard felt is between 200 and 50,000 g / m 2 and more preferably between 3,000 and 10,000 g / m 2 .
  • the length and the fineness of the carbon fibers contained in the at least one hard felt layer preferably correspond substantially to the values mentioned above with respect to the soft felt layer.
  • the length of the fibers of the at least one hard felt layer is preferably between 0.1 and 500 mm, more preferably between 1 and 250 mm and most preferably between 3 and 100 mm
  • the fineness of the fibers of the at least one hard felt layer is preferably between 0.1 and 100 dtex, more preferably between 0.5 and 25 dtex, and most preferably between 1 and 5 dtex.
  • the at least one layer of carbon fiber hard felt may contain any suitable carbon-containing binder, provided that it can be carbonized by a heat treatment to carbon or graphitized to graphite.
  • binders for the hard felt layer have been found to be carbonaceous binders selected from the group consisting of phenolic resins, pitches, furan resins, phenyl esters, epoxy resins and any mixtures of two or more of the foregoing.
  • the at least one hard felt layer is composed so that this measured according to DIN 29971 flexural strength between 0.1 and 20 MPa, preferably between 0.2 and 5 MPa and more preferably between 0.5 and 1, 5 MPa.
  • a carbon fiber soft felt may be impregnated with a suitable binder, in particular with a binder selected from the group consisting of phenolic resins, pitches, furan resins, phenyl esters, epoxy resins and any mixtures of two or more of the aforementioned compounds this is carbonized or graphitized under the conditions mentioned above in relation to the production of the soft felt layer.
  • a binder selected from the group consisting of phenolic resins, pitches, furan resins, phenyl esters, epoxy resins and any mixtures of two or more of the aforementioned compounds this is carbonized or graphitized under the conditions mentioned above in relation to the production of the soft felt layer.
  • Cellulosic fibers, polyacrylonitrile fibers, peroxidized polyacrylonitrile fibers, pitch fibers or any mixtures of two or more of the aforementioned fibers are also preferably used as the starting fibers.
  • the at least one layer of carbon fiber hard felt may also be made by blending cellulose fibers, polyacrylonitrile fibers, peroxidized polyacrylonitrile fibers and / or pitch fibers with binder, then pressing the fibers and then carbonizing or graphitizing.
  • a felt mixture which has been cured, for example, by pressing, vacuum application, treatment in a heating chamber, treating in a drying chamber, treating in an autoclave or chemically by adding a hardener is used, which after arranging the individual layers the composite can be carbonized and / or graphitized together with the other layers of the composite.
  • the present invention is not limited.
  • the composite material may have only one soft felt layer and one hard felt layer, or may have two, three or more soft felt and hard felt layers, respectively.
  • the composite material according to the invention may equally well have a different number of soft felt layers and hard felt layers, for example a soft felt layer and two or more hard felt layers or a hard felt layer and two or more soft felt layers.
  • at least one hard felt layer is connected to at least one soft felt layer over a large area via a binder, although it is preferred that all adjacent hard and soft felt layers are each connected to each other over a large area via a binder.
  • the composite material is symmetrical with respect to the arrangement of the hard felt and soft felt layers.
  • the composite material may comprise a central layer of carbon fiber hard felt, which is surrounded on both sides by a layer of carbon fiber soft felt, wherein the two layers of carbon fiber soft felt are each connected to the layer of carbon fiber hard felt via a binder.
  • a complementary structure ie a composite material with a central layer of carbon fiber soft felt, which is surrounded on both sides by a layer of carbon fiber hard felt, wherein the two layers of carbon fiber hard felt with the layer of carbon fiber soft felt are each connected via a binder.
  • the aforementioned composite materials can consist of these arrangements, ie have no further layers, or have additional layers of other material, for example one or more graphite foils and / or one or more layers of carbon-fiber-reinforced carbon.
  • the outer layers are each surrounded by a further, complementary felt layer.
  • the composite material can have, in addition to at least one soft felt layer and at least one hard felt layer, one or more further layers which are composed, for example, of carbon fiber reinforced carbon and / or graphite foil.
  • these further layer (s) are applied to one of the outermost layers of the composite or on the two outermost layers of the composite and bonded thereto via a binder.
  • at least one intermediate layer of such a material may be provided between individual felt layers, provided that at least a soft felt layer with at least one hard felt layer directly, ie without intermediate layer (apart from binder) is connected.
  • the composite material comprises a central layer of carbon fiber hard felt, which is surrounded on both sides by a layer of carbon fiber soft felt, on the two outer layers of carbon fiber soft felt each outside a graphite foil and / or a layer of carbon fiber reinforced carbon.
  • the composite has a central layer of carbon fiber soft felt, which is surrounded on both sides by a layer of carbon fiber hard felt, on the two outer layers of carbon fiber hard felt each outside a graphite foil and / / or a layer of carbon fiber reinforced carbon.
  • At least one graphite foil is provided in the composite material according to the invention, this preferably has a layer thickness between 0.1 and 3 mm and particularly preferably between 0.3 and 1 mm.
  • Such a graphite foil has a high reflectivity and gives the composite in particular a good barrier property, especially against gas passage.
  • the graphite foil consists of natural graphite and / or consists of expanded graphite.
  • the density of the graphite foil is 0.1 to 1.5 g / cm 3 .
  • a densely rolled graphite foil is used, which has a density of about 1, 0 g / cm 3 .
  • less densely rolled graphite foils such as, for example, those having a density of about 0.3 g / cm 3 .
  • the at least one layer of carbon fiber reinforced carbon (CFC) as an optional component of the composite is composed of a carbon matrix containing carbon fibers.
  • the carbon fibers may, as is preferred, be continuous fibers or, less preferably, staple fibers having, for example, a length between 5 and 250 mm, preferably between 10 and 100 mm and more preferably between 50 and 100 mm.
  • the carbon fibers of the CFC layer are formed in the form of a fabric.
  • the carbon fibers of the CFC layer are in the form of a ply, wherein the individual fibers of the ply may be unidirectionally or multi-axially arranged.
  • the at least one CFC layer has a layer thickness between 0.1 and 1 mm. Good conductivity results are obtained, in particular, when the at least one CFC layer has a density between 0.4 and 3 g / cm 3 , more preferably between 0.8 and 2.0 g / cm 3, and most preferably between 1, 0 and 1, 5 g / cm 3 .
  • carbonaceous materials especially those selected from the group consisting of phenolic resins, pitches, furan resins, phenyl esters, epoxy resins and any mixtures of two or more of the aforementioned compounds, can be used, whereas as starting material for the carbon fibers preferably pitch, or more preferably polyacrylonitrile or peroxidized polyacrylonitrile. is set. Also, fiber blends of the above materials or bifilaments of two or more of the above raw materials may be used.
  • the matrix may have a basis weight of 100 to 1, 500 g / m 2 .
  • Such CFC layers can be prepared, for example, by carbonizing or graphitizing peroxidized polyacrylonitrile fibers, polyacrylonitrile fibers and / or pitch fibers, then processing the carbon fibers thus obtained into a fabric or scrim, which is subsequently impregnated with a binder before the thus obtained Finally, the structure is heat-treated or optionally carbonized and / or graphitized.
  • Carbon-containing compounds may be used as binders, preference being again given to those selected from the group consisting of phenolic resins, pitches, furan resins, phenyl esters, epoxy resins and any desired mixtures of two or more of the abovementioned compounds.
  • the composite materials according to the invention can be used in particular in heat shields, in thermal insulation, in kiln installations or in other high-temperature applications, for example in foundries. Due to its ease of processing, the composite material according to the invention is particularly suitable for use in the repair of existing thermal insulation, in which, for example, a part of an existing thermal insulation, which for example consists solely of hard felt, is accurately replaced by the composite material according to the invention.
  • the composite materials according to the invention can be formed in any desired form.
  • these may have a flat, in particular plate-shaped form, or have a round cross-section, ie cylindrical be configured or tubular. Apart from that, however, they can also be present in other forms including geometrically complex shapes.
  • a further subject matter of the present invention is a method for producing a composite material described above, which comprises the following steps: a) providing at least one layer of carbon fiber soft felt, b) providing at least one layer of carbon fiber hard felt and c) joining the at least one layer of carbon fiber soft felt with the at least one layer of carbon fiber hard felt by means of a binder.
  • the at least one layer of carbon fiber hard felt can be produced, for example, by impregnating carbon fiber soft felt with a binder and subsequent heat treatment.
  • the at least one layer of carbon fiber hard felt in step b) can be prepared by mixing fibers with a binder, pressing the mixture thus obtained, and then subjecting it to thermal treatment.
  • the process according to the invention can comprise, as process step d), the application of at least one graphite foil and / or at least one layer of carbon-fiber-reinforced carbon to at least one of the carbon fiber felt layers.
  • a layer of carbon-fiber-reinforced carbon for example, (peroxidized) polyacrylonitrile fibers and / or pitch fibers can be carbonized or graphitized, then the carbon fibers thus obtained can be made into a fabric or fabric, which closing with a binder selected from the group consisting of phenolic resins, pitches, furan resins, phenyl esters, epoxy resins and any mixtures of two or more of the aforementioned compounds is impregnated before the resulting structure is optionally carbonized and / or graphitized.
  • a binder selected from the group consisting of phenolic resins, pitches, furan resins, phenyl esters, epoxy resins and any mixtures of two or more of the aforementioned compounds is impregnated before the resulting structure is optionally carbonized and / or graphitized.
  • the composite material can be hardened one on top of another, which can be done for example by pressing, by vacuum application, by treatment in a heating chamber, by treatment in a drying chamber, by treatment in an autoclave or chemically by adding a hardener.
  • the composite material can finally be carbonized and / or graphitized.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of a composite material according to the invention according to a first exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view of a composite material according to the invention according to a second embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a composite according to the invention according to a third embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a composite material according to the invention according to a fourth embodiment of the present invention
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of a composite material according to the invention according to a fifth embodiment of the present invention
  • Fig. 6 is a cross-sectional view of a composite material according to the invention according to a sixth embodiment of the present invention.
  • the composite material 10 shown in Figure 1 consists of a central layer of hard felt 12, on whose opposite sides in each case one
  • Layer of soft felt 14, 14 ' is arranged, wherein the individual layers 12, 14, 14' in each case over a binder (not shown) are interconnected over a large area.
  • the binder may be provided as an intermediate layer between two delimiting felt layers 12, 14 and 12, 14 '.
  • the binder may originate from the contact surfaces of the delimiting felt layers 12, 14, 14 '.
  • the individual layers are constructed to be complementary to those of the composite shown in Figure 1, i. this consists of a central layer of soft felt
  • the composite material shown in FIG. 3 differs from that shown in FIG. 2 in that on the two layers of hard felt 12, 12 ', on the outside, in each case one further layer of soft felt 14', 14 "is arranged.
  • the composites shown in Figures 4 to 6 correspond to those shown in Figures 1 to 3, except that on the outer felt layers 14, 14 'and 12, 12' and 14 ', 14 "respectively a graphite foil 16, 16' or a layer of carbon fiber reinforced carbon 18, 18 'is arranged, which may be connected to the respective underlying felt layer by a binder.
  • a graphite foil 16, 16' or a layer of carbon fiber reinforced carbon 18, 18 ' is arranged, which may be connected to the respective underlying felt layer by a binder.
  • the composites according to the invention may also have any other shape, such as a cylindrical or tubular shape.

Abstract

Ein Verbundwerkstoff umfasst wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz und wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz, wobei die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbon-faser-Hartfilz über ein Bindemittel verbunden ist.

Description

Verbundwerkstoff aus Carbonfaser-Weichfilz und Carbonfaser-Hartfilz
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff und insbesondere einen hochtemperaturbeständigen Verbundwerkstoff.
Als thermische Isolierungen bei Hochtemperaturanwendungen, beispielsweise als thermische Isolierungen in Hochtemperaturöfen, werden aufgrund ihrer hohen Hitzestabilität und ihrer chemischen Inertheit gegenüber der in dem Ofeninneren vorliegenden Substanzen häufig Werkstoffe auf Basis von Kohlenstoff eingesetzt. Um sowohl Wärmeverluste durch Wärmestrahlung als auch Wärmeverluste durch Wärmeleitung und Konvektion zu verhindern, sind als thermische Isolierungen bei Hochtemperaturanwendungen bereits Verbundwerkstoffe vorgeschlagen worden, welche beispielsweise eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff und eine Graphitfolie umfassen. Dabei verhindert die Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff insbesondere Wärmeverlust infolge von Wärmeleitung, wohingegen die Graphitfolie reflektierend wirkt und daher Wärmeverlust infolge von Wärmestrahlung verhindert.
Aufgrund ihrer hervorragenden wärmeisolierenden Eigenschaften werden jedoch in der Praxis häufig thermische Isolierungen auf Basis von Carbonfaser-Hartfilz eingesetzt. Carbonfaser-Hartfilz ist jedoch sehr brüchig, weswegen dieser nur schlecht bearbeitbar ist. Aufgrund dieser Eigenschaften kann es beispielsweise bei dem Bearbeiten von Hartfilzplatten auf Maß dazu kommen, dass insbesondere an den Ecken der Platten Material abbröckelt, was dazu führen kann, dass die Platten nicht mehr passgenau in das zu isolierende Bauteil eingesetzt werden können. Dieses Problem tritt insbesondere dann auf, wenn bei einer bestehenden Isolierung auf Basis von Hartfilz einzelne Bereiche der Hartfilzisolierung ersetzt werden sollen, so dass neues Hartfilzmaterial passgenau in eine bereits beste- hende Isolierung, aus der zuvor zu erneuernde Teile entfernt wurden, eingesetzt werden muss. Ferner sind Carbonfaser-Hartfilze aufgrund ihres komplexen Herstellungsverfahrens vergleichsweise teuer. Schließlich sind auch die Wärmeiso- liereigenschaften von Carbonfaser-Hartfilzen verbesserungsbedürftig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen hochtemperaturbeständi- gen Werkstoff auf Basis von Carbonfaser-Hartfilz bereitzustellen, welcher einerseits hervorragende Wärmeisolierungseigenschaften aufweist und vergleichsweise kostengünstig herstellbar ist, und welcher andererseits einfach bearbeitbar, insbe- sondere einfach auf ein exaktes Maß bearbeitbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Verbundwerkstoff, welcher wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz und wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umfasst, wobei die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz über ein Bindemittel verbunden ist.
Diese Lösung basiert auf der Erkenntnis, dass bei einem Verbundwerkstoff, bei dem wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz mit wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz über ein Bindemittel verbunden ist, die positiven Eigenschaften von Hartfilz nicht nur beibehalten, sondern hinsichtlich der Wärmeisolierungseigenschaften sogar verbessert werden, und zugleich die negativen Eigenschaften von Hartfilz, wie vergleichsweise große Brüchigkeit, geringe Nachgiebigkeit und hohe Herstellungskosten, überwunden oder zumindest be- trachtlich verringert werden können. Insbesondere weist ein solcher Verbundwerkstoff eine hohe Nachgiebigkeit und eine geringe Brüchigkeit auf, weswegen dieser einfach bearbeitbar ist und insbesondere einfach auf ein exaktes Maß bearbeitet werden kann. Abgesehen davon ist ein solcher Verbundwerkstoff, weil in diesem teurer Hartfilz teilweise durch kostengünstigeren Weichfilz substituiert ist, ver- gleichsweise kostengünstig. Zudem weist dieser Verbundwerkstoff aufgrund der Kombination Weichfilz-Hartfilz verglichen mit einem allein aus Hartfilz bestehenden Material mit gleichen Ausmaßen bessere wärmeisolierende Eigenschaften auf. Aufgrund dieser Eigenschaften eignet sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff unter anderem hervorragend zur Verwendung als thermische Isolierung in Hochtemperaturöfen. Aufgrund seiner einfachen Bearbeitbarkeit eignet sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff insbesondere auch dazu, bei der Reparatur bereits bestehender thermischer Isolierungen auf Basis von Hartfilz eingesetzt zu werden, bei welcher beispielsweise ein Teil einer bestehenden thermischen Isolierung, welche beispielsweise allein aus Hartfilz besteht, passgenau durch den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ersetzt wird.
Unter (Carbonfaser-)Hartfilz wird im Sinne der vorliegenden Erfindung im Einklang mit der auf dem hier relevanten Fachgebiet üblichen Definition ein Filz bezeichnet, welcher neben Carbonfasern eine Matrix aus Bindemittel enthält, wohingegen (Carbonfaser- )Weichfilz ein Filz ist, welcher keine Matrix bzw. kein Bindemittel enthält. Aufgrund dessen ist Weichfilz flexibel, wohingegen Hartfilz formstabil ist.
Ferner werden im Sinne der vorliegenden Erfindung unter Carbonfasern ebenfalls im Einklang mit der auf dem hier relevanten Fachgebiet üblichen Definition allge- mein Fasern aus kohlenstoffhaltigen Ausgangsmaterialien verstanden.
Erfindungsgemäß ist die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz über ein Bindemittel verbunden. Darunter wird hier verstanden, dass die beiden Schichten aufgrund der Wirkung eines Bindemittels direkt miteinander verbunden sind, wobei das Bindemittel zwischen der Weichfilzschicht und der Hartfilzschicht als Zwischenschicht ausgebildet sein kann oder die Weichfilzschicht und die Hartfilzschicht miteinander durch an den Grenzflächen der benachbarten Filzschichten befindliches Bindemittel verbunden sein können, ohne dass zwischen den beiden Filzschichten eine Zwischenschicht aus Bindemittel ausgebildet sein muss. Bei dieser Verbindung handelt es sich vorzugsweise um eine großflächige Verbindung, d.h. die beiden Filzschichten sind zumindest im Wesentlichen über ihre gesamte Kontaktfläche durch ein Bindemittel miteinander verbunden. Dabei wird die Kontaktfläche der beiden Filzschichten vorzugsweise durch jeweils eine Flachseite der Filzschichten ausgebildet. Da die beiden Flachseiten niemals vollständig bzw. ideal planar sind, werden sich die beiden Flachseiten in der Realität nicht vollflächig berühren, sondern über eine Vielzahl von Berührungsbereichen berühren. In diesem Fall sind vorzugsweise zumindest im Wesentlichen alle Berührungsbereiche über ein Bindemittel miteinander verbunden.
Als Bindemittel für diesen Zweck können alle Bindemittel eingesetzt werden, welche eine Hartfilzschicht und eine Weichfilzschicht fest miteinander verbinden können, wobei insbesondere bevorzugt kohlenstoffhaltige Bindemittel und ganz besonders bevorzugt solche ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolhar- zen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen eingesetzt werden. Gemäß einer höchst bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein aus der zuvor genannten Gruppe ausgewähltes Bindemittel eingesetzt, welches flächig ausgebildete Partikel aus Naturgraphit und/oder aus expandiertem Graphit enthält, wobei unter flächigen Partikeln hier Partikel verstanden werden, welche eine größere Dimension in der Fläche (Durchmesser) als der Dicke aufweisen. Der mittlere Durchmesser der Partikel kann beispielsweise zwischen 1 und 250 μιτι und bevorzugt zwischen 5 und 55 μιτι liegen. Derartige Bindemittel weisen einen hohen Anisotropiegrad auf, wobei die Wärmeleitung, weil sich die flächigen anisotropen Partikel parallel zu den angrenzenden Werkstoffschichten ausrichten, über die Grenzfläche zwischen den angrenzenden Schichten nur gering ausgeprägt ist. Diese Bindemittel werden dann thermisch und/oder chemisch ausgehärtet, wobei die chemische Aushärtung beispielsweise durch Säurezugabe erreicht werden kann und die thermische Aushärtung beispielsweise bei einer Temperatur von wenigstens 50°C und bevorzugt bei 100 bis 200°C durchgeführt werden kann. Nach der Aushärtung kann optional eine Carbonisierung oder eine Graphitierung durchgeführt werden.
Grundsätzlich kann die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz jede beliebige Schichtdicke aufweisen. Gute Ergebnisse werden jedoch insbesondere im Hinblick auf ausgezeichnete wärmeisolierende Eigenschaften und eine gute Bearbeitbarkeit des Verbundwerkstoffes erhalten, wenn die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz eine Dicke zwischen 1 und 100 mm, bevorzugt zwischen 1 und 50 mm und besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 20 mm aufweist.
Auch bezüglich der Dichte und dem Flächengewicht der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz ist die vorliegende Erfindung nicht besonders limitiert. Im Hinblick auf das Erreichen ausgezeichneter wärmeisolierender Eigenschaften und einer gute Bearbeitbarkeit des Verbundwerkstoffes hat es sich jedoch als vorteilhaft erwiesen, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz eine Dichte zwischen 0,01 und 1 g/cm3, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,5 g/cm3 und besonders bevorzugt zwischen 0,08 und 0,15 g/cm3 aufweist. Aus den gleichen Gründen ist es bevorzugt, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz ein Flächengewicht zwischen 50 und 10.000 g/m2, besonders bevorzugt zwischen 100 und 5.000 g/m2 und ganz besonders bevorzugt zwischen 200 und 1 .500 g/m2 aufweist. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Carbonfasern der wenigstens einen Weichfilzschicht eine Länge zwischen 0,1 und 500 mm, bevorzugt zwischen 1 und 250 mm und besonders bevorzugt zwischen 40 und 100 mm aufweisen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Carbonfasern der wenigstens einen Weichfilzschicht eine Feinheit zwischen 0,1 und 100 dtex, bevorzugt zwischen 0,5 und 25 dtex und besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 dtex auf.
Die Carbonfaser-Weichfilzschicht kann hergestellt werden, indem Fasern aus geeigneten Ausgangsmaterialien durch Filzen miteinander verfilzt werden, bevor der Filz carbonisiert oder optional graphitiert wird. Dabei wird die Carbonisierung vorzugsweise bei einer Temperatur von wenigstens 600°C und maximal 1 .500°C durchgeführt, wohingegen die optionale Graphitierung vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 2.000°C und 2.500°C durchgeführt wird. Die Durchführung einer Graphitierung ist insbesondere dann bevorzugt, wenn der unter Verwendung der Weichfilzschicht hergestellte Verbundwerkstoff gegenüber Chemikalien, insbesondere gegenüber molekularem Sauerstoff, besonders stabil bzw. inert sein soll. Dabei kann die Carbonisierung bzw. Graphitierung auch als abschließender Schritt der Verbundstoffherstellung vorgenommen werden, nämlich erst dann, nachdem die einzelnen Schichten des Verbundstoffes übereinander angeordnet wurden. Alternativ zu der vorgenannten Ausführungsform kann die Carbonfaser- Weichfilzschicht auch hergestellt werden, indem Fasern aus geeigneten Ausgangsmaterialien zuerst carbonisiert oder graphitiert werden, bevor die so erhaltenen Carbonfasern verfilzt werden. Bei beiden vorgenannten Ausführungsformen können als Ausgangsfasern Fasern aus einem beliebigen kohlenstoffhaltigen Material eingesetzt werden, sofern dieses durch eine Wärmebehandlung zu Kohlenstoff carbonisiert bzw. zu Graphit graphitiert werden kann. Als für diesen Zweck insbesondere geeignet haben sich Cellulosefasern, Polyacrylnitrilfasern (PAN-Fasern), peroxidierte Polyacrylnitrilfa- sern (PANOX-Fasern) und Pechfasern erwiesen. Vorzugsweise werden Monofi- lamente aus einem Material, beispielsweise ausschließlich Polyacrylnitrilfasern, eingesetzt. Allerdings ist es auch möglich, eine Fasermischung einzusetzen, wie beispielsweise eine Mischung aus Polyacrylnitrilfasern und aus Cellulosefasern, oder Bifilamente, d.h. Fasern, welche, beispielsweise in Form einer Kern-Mantel- Struktur, sowohl Polyacrylnitril als auch Cellulose enthalten.
Gleichermaßen wie die Carbonfaser-Weichfilzschicht weist auch die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 1 und 100 mm, bevorzugt zwischen 1 und 50 mm und besonders bevorzugt zwi- sehen 2 mm und 20 mm auf.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz eine Dichte zwischen 0,02 und 2 g/cm3, besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 1 ,0 g/cm3 und ganz besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,3 g/cm3 aufweist.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt das Flächengewicht der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser- Hartfilz zwischen 200 und 50.000 g/m2 und besonders bevorzugt zwischen 3.000 und 10.000 g/m2.
Die Länge und die Feinheit der in der wenigstens einen Hartfilzschicht enthaltenen Carbonfasern entsprechen vorzugsweise im Wesentlichen den vorstehend in Bezug zu der Weichfilzschicht genannten Werten. Mithin beträgt die Länge der Fasern der wenigstens einen Hartfilzschicht vorzugsweise zwischen 0,1 und 500 mm, besonders bevorzugt zwischen 1 und 250 mm und ganz besonders bevorzugt zwischen 3 und 100 mm, wohingegen die Feinheit der Fasern der wenigstens einen Hartfilzschicht vorzugsweise zwischen 0,1 und 100 dtex, besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 25 dtex und ganz besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 dtex beträgt. Grundsätzlich kann die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz jedes geeignete kohlenstoffhaltige Bindemittel enthalten, sofern dieses durch eine Wärmebehandlung zu Kohlenstoff carbonisiert bzw. zu Graphit graphitiert werden kann. Als besonders geeignete Bindemittel für die Hartfilzschicht haben sich kohlenstoffhaltige Bindemittel erwiesen, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die wenigstens eine Hartfilzschicht so zusammengesetzt ist, dass diese eine gemäß der DIN 29971 gemessene Biegefestigkeit zwischen 0,1 und 20 MPa, bevorzugt zwischen 0,2 und 5 MPa und besonders bevorzugt zwischen 0,5 und 1 ,5 MPa aufweist.
Zur Herstellung der Carbonfaser-Hartfilzschicht kann ein Carbonfaser-Weichfilz mit einem geeigneten Bindemittel, insbesondere mit einem aus der aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen bestehenden Gruppe ausgewählten Bindemittel, imprägniert werden, bevor dieses unter den vorstehend in Bezug zu der Herstellung der Weichfilzschicht genannten Bedingungen carbonisiert oder graphitiert wird. Als Ausgangsfasern werden auch hier bevorzugt Cellulosefasern, Polyacrylnitnifasern, peroxidierte Polyacrylnitrilfasern, Pechfasern oder beliebige Mischungen aus zwei oder mehr der vorgenannten Fasern eingesetzt.
Alternativ dazu kann die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz auch durch Vermischen von Cellulosefasern, Polyacrylnitrilfasern, peroxidierten Polyacrylnitrilfasern und/oder Pechfasern mit Bindemittel, anschließendes Pressen der Fasern und danach Carbonisieren oder Graphitieren hergestellt werden. Gemäß einer weiteren Alternative wird nur eine Filzmischung, welche gegebenenfalls beispielsweise durch Pressen, Vakuumanwendung, Behandeln in einer Wärmekammer, Behandeln in einer Trockenkammer, Behandeln in einem Autoklaven oder chemisch durch Zusatz eines Härters gehärtet worden ist, eingesetzt, welche nach dem Anordnen der einzelnen Schichten des Verbundstoffes übereinander zusammen mit den anderen Schichten des Verbundstoffes carbonisiert und/oder graphitiert werden kann. Bezüglich der Anzahl an Hartfilz- und Weichfilzschichten ist die vorliegende Erfindung nicht beschränkt. Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff lediglich eine Weichfilzschicht und eine Hartfilzschicht aufweisen oder jeweils zwei, drei oder mehr Weichfilz- und Hartfilzschichten aufweisen. Genauso gut kann der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff eine unterschiedliche Anzahl von Weichfilz- schichten und Hartfilzschichten aufweisen, beispielsweise eine Weichfilzschicht und zwei oder mehr Hartfilzschichten oder eine Hartfilzschicht und zwei oder mehr Weichfilzschichten. Dabei ist wenigstens eine Hartfilzschicht mit wenigstens einer Weichfilzschicht großflächig über ein Bindemittel verbunden, wobei es allerdings bevorzugt ist, dass alle benachbarten Hart- und Weichfilzschichten jeweils groß- flächig über ein Bindemittel miteinander verbunden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der Verbundwerkstoff bezüglich der Anordnung der Hartfilz- und Weichfilzschichten symmetrisch aufgebaut.
Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff eine zentrale Schicht aus Carbonfaser- Hartfilz umfassen, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser- Weichfilz umgeben ist, wobei die beiden Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz mit der Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz jeweils über ein Bindemittel verbunden sind. Ebenso geeignet ist ein komplementärer Aufbau, also ein Verbundwerkstoff mit einer zentralen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umgeben ist, wobei die beiden Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz mit der Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz jeweils über ein Bindemittel verbunden sind. Dabei können die vorgenannten Verbundwerkstoffe aus diesen Anordnungen bestehen, also keine weiteren Schichten aufweisen, oder zusätzliche Schichten aus anderem Material, beispielsweise eine oder mehrere Graphitfolien und/oder ein oder mehrere Schichten aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff, aufweisen. In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass bei den beiden vorgenannten Ausführungsformen jeweils die äußeren Schichten von einer weiteren, komplementären Filzschicht umgeben sind. Dies führt zu einem Aufbau mit einer zentralen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz umgeben ist, auf denen wiederum jeweils eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz angeordnet ist, oder zu einem dazu komplementären Aufbau mit einer zentralen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umgeben ist, auf denen wiederum jeweils eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz angeordnet ist. Um beispielsweise die Undurchlässigkeit bzw. Barriereeigenschaften des Verbundwerkstoffes gegenüber Wärmestrahlung und Gasen zu erhöhen, kann der Verbundwerkstoff neben wenigstens einer Weichfilzschicht und wenigstens einer Hartfilzschicht eine oder mehrere weitere Schichten aufweisen, welche beispielsweise aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff und/oder Graphitfolie zusammen- gesetzt sind. Vorzugsweise ist/sind diese weiteren Schicht(en) auf einer der äußersten Schichten des Verbundwerkstoffs oder auf den beiden äußersten Schichten des Verbundwerkstoffs aufgebracht und mit diesen über eine Bindemittel verbunden. Allerdings kann zwischen einzelnen Filzschichten auch wenigstens eine Zwischenschicht aus einem solchen Material vorgesehen sein, sofern wenigstens eine Weichfilzschicht mit wenigstens einer Hartfilzschicht direkt, d.h. ohne Zwischenschicht (abgesehen von Bindemittel), verbunden ist.
Beispielsweise kann bei der vorgenannten Ausführungsform, bei welcher der Ver- bundwerkstoff eine zentrale Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umfasst, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz umgeben ist, auf den beiden äußeren Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz jeweils außenseitig eine Graphitfolie und/oder eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff angeordnet sein. Analog dazu kann bei der Ausführungsform, bei welcher der Ver- bundwerkstoff eine zentrale Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz aufweist, welche beidseitig von je einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz umgeben ist, auf den beiden äußeren Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz jeweils außenseitig eine Graphitfolie und/oder eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff angeordnet sein.
Sofern in dem erfindungsgemäßen Verbundstoff wenigstens eine Graphitfolie vorgesehen ist, weist diese vorzugsweise eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 3 mm und besonders bevorzugt zwischen 0,3 und 1 mm auf. Eine solche Graphitfolie weist ein hohes Reflexionsvermögen auf und verleiht dem Verbundwerkstoff insbesondere eine gute Barriereeigenschaft, und zwar vor allem gegenüber Gasdurchtritt.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird es vorgeschlagen, dass die Graphitfolie aus Naturgraphit besteht und/oder aus expandiertem Graphit besteht.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt die Dichte der Graphitfolie 0,1 bis 1 ,5 g/cm3. Vorzugsweise wird eine dichtgewalzte Graphitfolie eingesetzt, welche eine Dichte von etwa 1 ,0 g/cm3 aufweist. Es können aber auch weniger dicht gewalzte Graphitfolien, wie bei- spielsweise solche mit einer Dichte von etwa 0,3 g/cm3, eingesetzt werden. Die wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (CFC) als optionalen Bestandteil des Verbundwerkstoffs ist aus einer Kohlenstoffmatrix zusammengesetzt, in welcher Carbonfasern enthalten sind. Bei den Carbonfasern kann es sich, was bevorzugt ist, um Endlosfasern handeln oder, was weniger bevorzugt ist, um Stapelfasern, welche beispielsweise eine Länge zwischen 5 und 250 mm, bevorzugt zwischen 10 und 100 mm und besonders bevorzugt zwischen 50 und 100 mm aufweisen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Carbonfasern der CFC-Schicht in Form eines Gewebes ausgebildet. In einer dazu alternativen, aber gleichermaßen bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Carbonfasern der CFC-Schicht in Form eines Geleges ausgebildet, wobei die einzelnen Fasern des Geleges unidirektional oder multiaxial angeordnet sein können.
Vorzugsweise weist die wenigstens eine CFC-Schicht eine Schichtdicke zwischen 0,1 und 1 mm auf. Gute Ergebnisse im Hinblick auf die Leitfähigkeit werden insbesondere erhalten, wenn die wenigstens eine CFC-Schicht eine Dichte zwischen 0,4 und 3 g/cm3, besonders bevorzugt zwischen 0,8 und 2,0 g/cm3 und ganz besonders bevorzugt zwischen 1 ,0 und 1 ,5 g/cm3 aufweist. Als Ausgangsmaterial für die Matrix der CFC-Schicht können kohlenstoffhaltige Materialien, insbesondere solche ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen, eingesetzt werden, wohingegen als Ausgangsmaterial für die Carbonfasern bevorzugt Pech oder besonders bevorzugt Polyacrylnitril oder peroxidiertes Polyacrylnitril einge- setzt wird. Es können auch Fasermischungen aus den vorstehenden Materialien oder Bifilamente aus zwei oder mehr der vorstehend genannten Ausgangsmaterialien eingesetzt werden. Dabei kann die Matrix ein Flächengewicht von 100 bis 1 .500 g/m2 aufweisen.
Solche CFC-Schichten können beispielsweise hergestellt werden, indem peroxi- dierte Polyacrylnitrilfasern, Polyacrylnitrilfasern und/oder Pechfasern carbonisiert oder graphitiert werden, dann die so erhaltenen Carbonfasern zu einem Gewebe oder Gelege verarbeitet werden, welches anschließend mit einem Bindemittel imprägniert wird, bevor das so erhaltene Gebilde abschließend wärmebehandelt oder optional carbonisiert und/oder graphitiert wird. Als Bindemittel können kohlenstoffhaltige Verbindungen eingesetzt werden, wobei wiederum solche bevorzugt sind, welche aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Pechen, Furan- harzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen ausgewählt sind.
Aufgrund ihrer vorstehend genannten vorteilhaften Eigenschaften können die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe insbesondere in Hitzeschilden, in thermischen Isolierungen, in Ofeneinbauten oder in anderen Hochtemperaturanwendun- gen, beispielsweise in der Gießerei, eingesetzt werden. Aufgrund seiner einfachen Bearbeitbarkeit eignet sich der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff insbesondere auch dazu, bei der Reparatur bereits bestehender thermischer Isolierungen eingesetzt zu werden, bei welcher beispielsweise ein Teil einer bestehenden thermischen Isolierung, welche beispielsweise allein aus Hartfilz besteht, passgenau durch den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff ersetzt wird.
Die erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffe können in jeder beliebigen Form ausgebildet sein. Beispielsweise können diese eine flächige, insbesondere platten- förmige Form aufweisen, oder einen runden Querschnitt aufweisen, also zylinder- förmig bzw. rohrförmig ausgestaltet sein. Abgesehen davon können diese jedoch auch in anderen Formen einschließlich geometrisch komplexen Formen vorliegen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Her- stellen eines zuvor beschriebenen Verbundwerkstoffes, welches die nachfolgenden Schritte umfasst: a) Bereitstellen wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz, b) Bereitstellen wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz und c) Verbinden der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz mittels eines Bindemittels.
Dabei kann in dem Verfahrensschritt b) die wenigstens eine Schicht aus Carbon- faser-Hartfilz beispielsweise durch Imprägnieren von Carbonfaser-Weichfilz mit einem Bindemittel und anschließende Temperaturbehandlung hergestellt werden. Alternativ dazu kann die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz in dem Verfahrensschritt b) durch Vermischen von Fasern mit einem Bindemittel, Pressen der so erhaltenen Mischung und anschließende Temperaturbehandlung herge- stellt werden.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren als Verfahrensschritt d) das Aufbringen von wenigstens einer Graphitfolie und/oder wenigstens einer Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff auf wenigstens eine der Carbonfaser- Filzschichten umfassen.
Zur Aufbringung einer Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff können in dem Verfahrensschritt d) beispielsweise (peroxidierte) Polyacrylnitrilfasern und/oder Pechfasern carbonisiert oder graphitiert werden, dann die so erhaltenen Carbonfasern zu einem Gewebe oder Gelege verarbeitet werden, welches an- schließend mit einem Bindemittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen imprägniert wird, bevor das so erhaltene Gebilde optional carbonisiert und/oder graphitiert wird.
Optional kann der Verbundwerkstoff nach dem Anordnen der einzelnen Schichten übereinander gehärtet werden, was beispielsweise durch Pressen, durch Vakuumanwendung, durch Behandeln in einer Wärmekammer, durch Behandeln in einer Trockenkammer, durch Behandeln in einem Autoklaven oder chemisch durch Zusatz eines Härters erfolgen kann.
Schließlich kann der Verbundwerkstoff abschließend carbonisiert und/oder graphitiert werden.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigen: Fig. 1 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, Fig. 5 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung und
Fig. 6 eine Querschnittansicht eines erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes gemäß eines sechsten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.
Der in der Figur 1 dargestellte Verbundwerkstoff 10 besteht aus einer zentralen Schicht aus Hartfilz 12, auf dessen gegenüberliegenden Seiten jeweils eine
Schicht aus Weichfilz 14, 14' angeordnet ist, wobei die einzelnen Schichten 12, 14, 14' jeweils über ein Bindemittel (nicht dargestellt) großflächig miteinander verbunden sind. Dabei kann das Bindemittel als Zwischenschicht zwischen zwei begrenzenden Filzschichten 12, 14 bzw. 12, 14' vorgesehen sein. Alternativ dazu kann das Bindemittel aus den Kontaktflächen der sich begrenzenden Filzschichten 12, 14, 14' stammen.
Bei dem in der Figur 2 dargestellten Verbundwerkstoff 10 sind die einzelnen Schichten komplementär zu denen des in der Figur 1 dargestellten Verbundwerk- Stoffes aufgebaut, d.h. dieser besteht aus einer zentralen Schicht aus Weichfilz
14, auf dessen gegenüberliegenden Seiten jeweils eine Schicht aus Hartfilz 12, 12' angeordnet ist, wobei die einzelnen Schichten 14, 12 bzw. 14, 12' jeweils über ein Bindemittel (nicht dargestellt) großflächig miteinander verbunden sind. Der in der Figur 3 dargestellte Verbundstoff unterscheidet sich von dem in der Figur 2 dargestellten dadurch, dass auf den beiden Schichten aus Hartfilz 12, 12' außenseitig jeweils eine weitere Schicht aus Weichfilz 14', 14" angeordnet ist.
Die in den Figuren 4 bis 6 dargestellten Verbundstoffe entsprechen den in den Figuren 1 bis 3 gezeigten, ausgenommen, dass auf deren äußeren Filzschichten 14, 14' bzw. 12, 12' bzw. 14', 14" jeweils eine Graphitfolie 16, 16' oder eine Schicht aus carbonfaserverstärkter Kohlenstoff 18, 18' angeordnet ist, welche mit der jeweils darunterliegenden Filzschicht durch ein Bindemittel verbunden sein kann. Alternativ dazu wäre es auch möglich, auf den äußeren Filzschichten 14, 14' bzw. 12, 12' bzw. 14', 14" sowohl eine Graphitfolie als auch eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff vorzusehen, wobei die Graphitfolie in diesem Fall vorzugsweise auf der Außenseite der Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff angeordnet ist.
Alternativ zu den in den Figuren 1 bis 6 gezeigten flächigen Formen können die erfindungsgemäßen Verbundstoffe auch jede beliebige andere Form aufweisen, wie beispielsweise eine zylinderförmige bzw. rohrförmige Form.
Bezugszeichenliste
10 Verbundwerkstoff
12, 12' Hartfilz(schicht)
14, 14', 14" Weichfilz(schicht)
16, 16' Graphitfolie
18, 18' carbonfaserverstärkter Kohlenstoff

Claims

Patentansprüche
Verbundwerkstoff, welcher wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser- Weichfilz (14, 14', 14") und wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser- Hartfilz (12, 12') umfasst, wobei die wenigstens eine Schicht aus Carbonfa ser-Weichfilz (14, 14', 14") mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfa ser-Hartfilz (12, 12') über ein Bindemittel verbunden ist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14") eine Dicke zwischen 1 und 100 mm, bevorzugt zwischen 1 und 50 mm und besonders bevorzugt zwischen 2 mm und 20 mm aufweist.
Verbundwerkstoff nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14") eine Dichte zwischen 0,01 und 1 g/cm3, bevorzugt zwischen 0,05 und 0,5 g/cnrr und besonders bevorzugt zwischen 0,08 und 0,15 g/cm3 aufweist.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14") ein Flächengewicht zwischen 50 und 10.000 g/m2, bevorzugt zwischen 100 un 5.000 g/m2 und besonders bevorzugt zwischen 200 und 1.500 g/m2 aufweist.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Carbonfasern der wenigstens einen Weichfilzschicht (14, 14', 14") eine Länge zwischen 0,1 und 500 mm, bevorzugt zwischen 1 und 250 mm und besonders bevorzugt zwischen 40 und 100 mm aufweisen.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die Carbonfasern der wenigstens einen Weichfilzschicht (14, 14', 14") eine Feinheit zwischen 0,1 und 100 dtex, bevorzugt zwischen 0,5 und 25 dtex und besonders bevorzugt zwischen 1 und 5 dtex aufweisen.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14") durch Filzen und anschließendes Carbonisieren oder Graphitieren von Cellulose- fasern, Polyacrylnitnifasern, peroxidierten Polyacrylnitnifasern oder Pechfasern hergestellt worden ist.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') eine Dichte zwischen 0,02 und 2 g/cm3, bevorzugt zwischen 0,1 und 1 ,0 g/cm3 und besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,3 g/cm3 aufweist.
Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel enthält, welches vorzugsweise aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Pheny- lestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.
10. Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
das Bindemittel, über welches die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14") mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') verbunden ist, ein kohlenstoffhaltiges Bindemittel ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Phenolharzen, Pechen, Fu- ranharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.
11. Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
dieser eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12) und zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Carbonfaser-Hartfilzschicht (12) angeordnete Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14') umfasst, wobei die beiden Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14') mit der Schicht aus Carbonfaser- Hartfilz (12) jeweils über ein Bindemittel verbunden sind.
12. Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
dieser eine Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14) und zwei auf gegenüberliegenden Seiten der Carbonfaser-Weichfilzschicht (14) angeordnete Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') umfasst, wobei die beiden Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') mit der Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14) jeweils über ein Bindemittel verbunden sind.
13. Verbundwerkstoff nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet, dass auf den beiden Schichten aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') jeweils außenseitig eine weitere Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14', 14") angeordnet ist, wobei die beiden äußeren Schichten aus Carbonfaser-Weichfilz (14', 14") mit der entsprechenden Carbonfaser-Hartfilzschicht (12, 12') jeweils über ein Bindemittel verbunden sind.
14. Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
dieser ferner wenigstens eine Graphitfolie (16, 16') und/oder wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') aufweist, welche vorzugsweise auf einer der oder auf den beiden äußersten Filzschichten (12, 12', 14, 14', 14") des Verbundwerkstoffs (10) angeordnet ist/sind.
15. Verbundwerkstoff nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Graphitfolie (16, 16') aus Naturgraphit oder expandiertem Graphit besteht und eine Schichtdicke von 0,1 bis 3 mm und bevorzugt zwischen 0,3 und 1 mm aufweist.
16. Verbundwerkstoff nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
die wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') Endlosfasern enthält oder Stapelfasern enthält, welche eine Länge zwi- sehen 5 und 250 mm, bevorzugt zwischen 10 und 100 mm und besonders bevorzugt zwischen 50 und 100 mm aufweisen.
17. Verbundwerkstoff nach Anspruch 14 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des carbonfaserverstärkten Kohlenstoffs (18, 18') in Form eines Gewebes oder eines Geleges, welches bevorzugt unidirektional oder multiaxial ausgestaltet ist, vorliegen.
18. Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 14, 16 oder 17,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') eine Dicke zwischen 0,1 und 1 mm aufweist.
19. Verbundwerkstoff nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 14, 16, 17 oder 18,
dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass
die wenigstens eine Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') eine Dichte zwischen 0,4 und 3 g/cm3, bevorzugt zwischen 0,8 und 2,0 g/cm3 und besonders bevorzugt zwischen 1 ,0 und 1 ,5 g/cm3 aufweist.
20. Verwendung eines Verbundwerkstoffes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19 in Hitzeschilden, in thermischen Isolierungen, in Ofeneinbauten oder in anderen Hochtemperaturanwendungen.
21 . Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 19 umfassend die nachfolgenden Schritte:
a) Bereitstellen wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14"),
b) Bereitstellen wenigstens einer Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') und
c) Verbinden der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser-Weichfilz (14, 14', 14") mit der wenigstens einen Schicht aus Carbonfaser- Hartfilz (12, 12') mittels eines Bindemittels. Verfahren nach Anspruch 21 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Schritt b) die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') durch Imprägnieren von Carbonfaser-Weichfilz mit einem Bindemittel und anschließende Temperaturbehandlung hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Schritt b) die wenigstens eine Schicht aus Carbonfaser-Hartfilz (12, 12') durch Vermischen von Fasern mit einem Bindemittel, Pressen der so erhaltenen Mischung und anschließende Temperaturbehandlung hergestellt wird. 24. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 21 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass
dieses ferner als Schritt d) das Aufbringen von wenigstens einer Graphitfolie (16, 16') und/oder wenigstens einer Schicht aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (18, 18') auf wenigstens eine der Carbonfaser-Filzschichten (12, 12', 14, 14', 14") umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24,
dadurch gekennzeichnet, dass
in dem Schritt d) peroxidierte Polyacrylnitrilfasern, Polyacrylnitrilfasern und/oder Pechfasern carbonisiert oder graphitiert werden, dann die so erhaltenen Carbonfasern zu einem Gewebe oder Gelege verarbeitet werden, welches anschließend mit einem Bindemittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Phenolharzen, Pechen, Furanharzen, Phenylestern, Epoxidharzen und beliebigen Mischungen von zwei oder mehr der vorgenann- ten Verbindungen imprägniert wird, bevor das so erhaltene Gebilde carbo- nisiert oder graphitiert wird.
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