DE3506909C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines im wesentlichen flächenhaften, mit einem oder mehreren Vorsprüngen versehenen durch Kohlenstoff­ fasern verstärkten Kohlenstoffkörpers, bei welchem aus Kohlenstoffasern und einem härtbaren Kunstharz ein Körper geformt, das Kunstharz durch Erhitzen des Körpers gehärtet und carbonisiert, der erhaltene Kohlenstoffkörper mit einem fluiden carbonisierbaren Stoff imprägniert, das Imprägniermittel carbonisiert und die Imprägnierung mehrmals wiederholt wird.

Zur Herstellung von faserverstärkten Kunstharzformlingen ist es bekannt, harzbeschichtete Fasern auf Kerne zu wickeln oder harzhaltige Laminate in Formen zu pressen. Andere übliche Herstellungsverfahren sind beispiels­ weise Pultrusion und Spritzgießen und Spritzpressen für Kurzschnittfasern enthaltende Massen. Die aniso­ metrische Form der verstärkungsfasern führt bei allen Verfahren zu Formlingen mit anisotropem Verhalten und zu einer Anreicherung der Komponenten des Verbundkörpers in flächenhaften oder eindimensional gestreckten Zonen. In einem aus Laminatschichten aufgebauten Formling ist z. B. der Harzanteil in den die Faserlagen enthaltenden Ebenen kleiner als in jeder anderen Ebene des Formlings. Die Verteilung fördert Delaminierungen und die richtungs­ abhängige thermische Ausdehnung. Bei den üblichen Ver­ bundwerkstoffen mit Kunstharzmatrix ist der Effekt wegen der kleinen für die Verwendung derartiger Verbundwerk­ stoffe zulässigen Temperaturspanne vergleichsweise gering und durch konstruktive Maßnahmen beherrschbar. Überführt man aber das Matrixharz durch eine bestimmte Temperaturbe­ handlung in Kohlenstoff, d. h., stellt man faserverstärkte Kohlenstoffkörper her, läßt sich eine Verformung der Körper bei diesem Prozeß kaum vermeiden.

Zur Herstellung faserverstärkter Kohlenstoffkörper - als Verstärkung verwendet man überwiegend Kohlenstoffasern - stellt man zunächst einen faserverstärkten Kunstharzkörper her, und härtet durch dessen Erwärmung auf etwa 100 bis 200°C das Matrixharz. Geeignete Harze sind beispielsweise Phenolformaldehyd-Harze, Furan-Harze, Epoxid-Harze, unge­ sättigte Polyester-Harze, gegebenenfalls auch mit Härter­ zusätzen. Zur Pyrolyse des Matrixharzes und Bildung einer Kohlenstoffmatrix wird der Körper in einer inerten oder re­ duzierenden Atmosphäre auf etwa 800 bis 1200°C erhitzt. Etwa 50% der ursprünglichen Harzmasse wird dabei in Form flüchtiger Stoffe emittiert und die sich bildende Koksmatrix schrumpft, wobei der Betrag der Schrumpfung, wie die thermische Ausdehnung richtungsabhängig ist. Die anisotrope Verformung kann man bei Körpern mit einfachen Konturen durch entsprechende Bemaßung der grünen Aus­ gangskörper im wesentlichen ausgleichen. Bei komplexeren Körpern kommt es jedoch zu größeren Verbiegungen, Verwer­ fungen und Delaminierungen, die durch Maß- oder Formände­ rungen nicht ohne weiteres ausgeglichen werden können. Besonders gilt das für Körper, die mit Flanschen, Rippen und ähnlichen Vorsprüngen versehen sind.

Da die Schrumpfung des Harzes den Verlust an Matrix­ masse nur zu einem Teil ausgleicht, erhält man mehr oder weniger poröse faserverstärkte Kohlenstoffkörper, die in der Regel zur Einstellung eines bestimmten Permeabilitätsgrades ein- oder mehrmals mit einem härt­ baren Kunstharz oder auch einem Steinkohlenteerpech imprägniert werden. Nach jeder Imprägnierung, die im allgemeinen in einem Autoklaven bei erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur vorgenommen wird, muß der Körper zur Carbonisierung des Imprägniermittels auf etwa 800 bis 1200°C erhitzt werden. Auch bei diesen Wärmebe­ handlungen kommt es zu Verformungen, deren Grad aller­ dings mit der Zahl der Behandlungen abnimmt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei der Carbonisierung flächenhafter faserverstärkter Körper mit einem oder mehreren Vorsprüngen, die besonders große Verformung der Vorsprünge zu verhindern oder wenigstens soweit zu mindern, daß eine spanende Be­ arbeitung der Vorsprünge nicht nötig ist.

Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß die aus der Oberfläche des faserverstärkten Kohlenstoffkörpers ragenden Vor­ sprünge bei jeder Erhitzung zwischen temperaturbestän­ dige, die Konturen der Vorsprünge aufweisende und sich auf der Körperoberfläche abstützende starre Platte ge­ spannt werden.

Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, daß Verformungen, Verbiegungen und Delaminierungen von Flanschen, Rippen und anderen aus einem flächenhaften faserverstärkten Kohlenstoffkörper ragenden Vorsprünge bei der Herstellung und Temperung des Körpers durch einfaches Einspannen der Vorsprünge zwischen starre Platten vermieden werden kann. Voraussetzungen für die Wirksamkeit des Verfahrens ist die Temperaturbeständig­ keit der Spannplatten, die wenigstens bis zur maxi­ malen Behandlungstemperatur der Kohlenstoffkörper einen ausreichend großen Elastizitätsmodul haben müssen, die Anpassung ihrer Oberflächen an die Oberfläche der Vorsprünge und schließlich ihre Fixierung, die Bewegungen relativ zum Kohlenstoffkörper ausschließt. Die Fixierung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß sich die Platten auf der Oberfläche des Kohlenstoffkörpers abstützen. Bei endständigen Flanschen reicht eine einseitige Abstützung aus, da sich die Flansche beim Tempern stets in Richtung der Körpererstreckung biegen. Die Spannplatten bestehen aus warmfesten Stählen, refraktärer Keramik und vorzugs­ weise aus faserverstärktem Kohlenstoff, der sich in seinen thermischen Eigenschaften nicht wesentlich von den einge­ spannten zu tempernden Körpern unterscheidet. Die den Körpervorsprüngen zugewandten Flächen der Spannplatte weisen die Konturen der Vorsprünge auf, so daß beim Auf­ ziehen der Platten ein inniger flächenhafter Kontakt zwischen Vorsprung und Platten gebildet wird.

Zum Verspannen der Platten verwendet man zweckmäßig gebräuchliche Mittel oder Spannelemente, wie Schrauben oder Keile, aus einem bei der Temperung der faser­ verstärkten Kohlenstoffkörper stabilen Werkstoff. Bevor­ zugt werden deshalb Spannelemente aus faserverstärktem Kohlenstoff. Bei einem anderen bevorzugten Verfahren werden Platten aus faserverstärktem Kohlenstoff, an die Vorsprünge geklebt. Als Klebemittel verwendet man zweck­ mäßig härt- und carbonisierbare Harze, z. B. Phenolform­ aldehyd-Harze. Nach der Carbonisierungsbehandlung, bei der die Platten zusätzlich mit Spannelementen an die vorsprünge gepreßt werden können, sind die Platten fest mit den Vorsprüngen verbunden und erhöhen deren Wider­ standsmoment.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Verformung eines Flansches beim Carbonisieren,

Fig. 2 die Einspannung eines Flansches,

Fig. 3 die Einspannung einer Rippe.

In Fig. 1 ist schematisch die Verformung eines einen flächenhaften Körper 1 begrenzenden Flansches 2 darge­ stellt, in dem Teilbild a) der grüne Körper mit etwa 55 Vol.% Kohlenstoffasern, die sich in Schichten parallel zur Oberfläche erstrecken, und etwa 45 Vol.% Phenolform­ aldehyd-Harz und im Teilbild b) der gleiche Körper nach Erhitzung auf 1000°C. Der Flansch 2 ist deutlich aus der Lotrechten gebogen, wobei in dieser Ausführungsform der Winkel α zwischen Flansch und Lot im Mittel etwa 10° beträgt. In der Zone 3 entstanden schließlich Risse und Delami­ nierungen, die die Festigkeit des Körpers wesentlich mindern.

Fig. 2 zeigt die Einspannung eines Rohrflansches 4. Der Flansch weist Durchbrechungen 5 auf, in die Spannschrau­ ben 6 aus warmfesten Stahl eingezogen sind. Mittels der Schrauben 6 werden Platten 7 aus kohlenstoffaserver­ stärktem Kohlenstoff gegen den Flansch gepreßt und der Körper dann zur Carbonisierung des Matrixharzes auf etwa 1000°C erhitzt. Nach der Temperung war die Ab­ weichung des Flansches von der Lotrechten kleiner als ein Grad. In Fig. 3 ist schließlich die Einspannung einer Rippe 9 dargestellt. Die Platten 10, 11 aus Kohlen­ stoffaserverstärktem Kohlenstoff sind mittels des Bügels 12 und Keilen 13, die ebenfalls aus kohlen­ stoffaserverstärktem Kohlenstoff bestehen, auf die gespannt

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines im wesentlichen flächen­ haften, mit einem oder mehreren Vorsprüngen versehenen durch Kohlenstoffasern verstärkten Kohlenstoffkörpers, bei welchem aus Kohlenstoffasern und einem härtbaren Kunstharz ein Körper geformt, das Kunstharz durch Er­ hitzen des Körpers gehärtet und carbonisiert, der er­ haltene Kohlenstoffkörper mit einem fluiden carbonisier­ baren Stoff imprägniert, das Imprägniermittel carboni­ siert und die Imprägnierung mehrmals wiederholt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Oberfläche des Körpers ragenden Vorsprünge bei jeder Erhitzung zwischen temperaturbeständige, die Konturen der Vorsprünge aufweisende und sich auf der Körperoberfläche abstützende starre Platten gespannt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus faserverstärktem Kohlen­ stoff bestehende Spannplatten verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß aus faserverstärktem Kohlenstoff bestehende Spannmittel verwendet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Platten mit einem carbonisierbaren Kleber an die Vorsprünge geklebt werden.