DE2705336A1 - Kohlenstoffaserverstaerkte schraube - Google Patents

Description

270B336

SlGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, den ' I S:"; :')''

Kohlenstoffaserverstärk te Schraube

Die Erfindung betrifft eine Schraube aus einem Kohleni'.toffasern enthaltenden Verbundwerkstoff.

Zur kraftschlüssigen Verbindung von Elementen aus einem durch Kohlenstoffasern verstärkten Verbundwerkstoff und zum Verbinden dieser Elemente mit Konstruktionsteilen aus einem anderen Werkstoff sind Schrauben bekannt geworden, die aus einem durch Kohlenstoffasern verstärkten Werkstoff bestehen. Man hat derartige Schrauben bisher dadurch hergestellt, daß man zunächst Platten oder Zylinder aus einem die Kohlenstoffasern in einer im wesentlichen unidirektionaler Orientierung enthaltenden Verbundwerkstoff anfertigte und die Schrauben aus diesen Körpern herausarbeitete, wobei Λΐύ Schraubenlängsachsu mit der Richtung der Kohlenstoffasern zusammenfällt. Schrauben mit einer derartigen Faserorientierung weis(:ii beträchtliche Zug- und Biegefestigkeiten auf, da d:<_ Scherfestigkeit jedoch verhältnismäßig klein ist, bred ι '"sonders Gewinde von Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix bereits beim Bearbeiten an der Oberfläche aus und einzelne Gewindegänge werden unter Last leicht abgeschert.

Zur Veroesserung der Scherfestigkeit von Verbundwerkstoffen ist or, bekannt, z.B. Platten oder Rohre in gleichmäßigen,

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um einen Winkel versetzten Lagen zu wickeln. Aus diesen Körpern herausgearbeitete Schrauben können insbesondere auch im Gewindebereich eine größere Scherfestigkeit aufweisen, jedoch auf Kosten der Zug- und Biegefestigkeit, deren Minderung im allgemeinen nicht zugelassen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Aufrechterhai tung der hohen Zug- und Biegefestigkeit die Scherfestigkeit von Schrauben aus einem kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff zu verbessern.

Die Aufgabe wird mit einer Schraube der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die in einer Matrix verteilten Kohlenstoffasern im Schraubenkern in Richtung der Schraubenlängsachse angeordnet sind und im Gewinde in einem spitzen Winkel zur Längsachse verlaufen.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist der Winkel gleich dem Steigungswinkel des Gewindes. Die Matrix des Verbundwerkstoffs besteht nach der Erfindung vorzugsweise aus Kohlenstoff. Andere geeignete Matrixwerkstoffe sind beispielsweise härtbare Kunstharze, wie Epoxidharze und Phenolformaldehydharze. Unter dem Begriff Kohlenstoffasern werden nach der Erf liidung ebenfalls Graphitfasern verstanden, die aus K(jh lens tof fasern durch einen thermischen Prozeß hergestellt werden. Erfindungsgemäße Schrauben sind schließlich nicht auf besondere Gewindeformen und -Steigungen beschränkt.

in Schrauben gemäß der Erfindung sind die Vorteile eines Verbundwerkstoffs mit unidirektional angeordneten Ver-

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:; l.'irkuriq:;! auorri unci eines mehrere gegeneinander vernetzte Faserlagen enthaltenden Werkstoffs vereinigt, wobei der Schraubenkern bevorzugt Zug- und Biegespannungen und die Gewindegänge Scherspannungen aufnehmen, wodurch bei ungeschmälerter Zug- und Biegefestigkeit des Schraubenkerns eine wesentlich höhere Scherfestigkeit der Gewindegänge erreicht wird.

Als Verstärkungsfasern für erfindungsgemäße Schrauben sind besonders Kohlenstoff- oder Graphitfasern mit

einer Reißfestigkeit y 2 kN/mm geeignet, die gegebenenfalls nach einer die interlaminare Scherfestigkeit verbessernden Oberflächenbehandlung mit einem härtbaren Kvinstharz, wie z.D. Epoxid-, Furan- oder Phenolharz imprägniert und beschichtet, in Schichten ausgelegt und anschließend nach Trocknung und partieller Härtung des Harzes zu Platten oder zylindrischen Stäben verpreßt werden. Nach vollständiger Härtung der Harzmatrix, die zweckmäßigerweise im Temperaturbereich zwischen etwa 150 und 200°C vorgenommen wird, werden aus den etwa 40 - 70 Vol.% unidirektional geordnete Kohlenstoffasern enthaltenden Rohkörpern Zylinder herausgearbeitet, deren Durchmesser gleich dem Kerndurchmesser der jeweiligen Schraube ist; in dem gleichen Arbeitsgang kann in bekannter 'Weise der Schraubenkopf hergestellt werden. Nun wird auf den Kern im Wickelverfahren aus kunstharzimprägnierten Garnen oder Rovings eine aus mohroren Lagen bestehende Schicht bis zum gewünschten Außendurchmesser der Schrauben aufgezogen. Die Kohlenstoffasern verlaufen in dieser Schicht in einem spitzen Winkel zur Längsachse des Schraubenkerns, bevorzugt ent-

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spricht der Winkel dem Steigungswinkel der Schraube. Nach Härtung des Harzes wird dann in bekannter Weise das Gewinde geschnitten.

Zur Herstellung von Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix werden Schrauben, die eine Harzmatrix enthalten, zur Carbonisierung des Harzes in einer inerten Atmosphäre auf etwa 1000°C erhitzt. Da die Harzmatrix unter diesen Bedingungen schrumpft, ist im allgemeinen zur Korrektur der Maßänderungen eine Nacharbeitung erforderlich. Nach einem anderen Verfahren werden daher als Matrixmaterial für Schrauben aus kohlenstoffaserverstärk tem Kohlenstoff Stoinkohlenteerpechkokse verwendet. Die Kohlenstoffasern werden dabei mit einem Teerpech imprägniert, in Schichten ausgelegt und zu Platten oder zylindrischen Stäben verpreßt. Auf die Rohlinge werden nun nach entsprechender Bearbeitung aus pechimprägnierten Rovings oder Garnen mehrere Lagen aufgewickelt oder die Rohlinge werden zunächst carbonisiert und daran anschließend bearbeitet und mit Wickelschichten versehen. Im zweiten Fall ist eine zweite Erhitzung auf die Carbonisierungstemperatur erforderlich. Das Gewinde wird jeweils nach der letzten Carbonisierung geschnitten.

Im folgenden werden anhand von Beispielen und einer Zeichnung Herstellung und Eigenschaften erfindungsgeinäßer Schrauben beschrieben.

Beispiel 1

Kohlenstoffaserrovings mit 10 000 Filamenten wurden zu Bändern ausgelegt, mit dem handelsüblichen Harzsystem Epikote ^R DX 210 / Epikure ^R DX 137 imprägniert, 30 min. bei einer Temperatur von 80°C getrocknet und in einer

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Preßform unter einem Druck von 0,7 N/mm auf 140°C erhitzt. Aus dem Rohkörper, dessen Faseranteil ca. 60 Vol.% betrug, wurden Stäbe mit dem Querschnitt 10 χ 10 mm in Richtung des Faserverlaufs geschnitten und die Stäbe auf einen Durchmesser von 9 mm abgedreht. Hochfeste Kohlenstoffasern mit 3000 Filamenten, die

mit dem handelsüblichen Harzsystem Araldit LY 556 / MY 051 imprägniert waren, wurden dann unter einer um ei. 8j gegen die Zylinderachse geneigten Richtung aufgewickelt und in die Wickellagen nach einer Härtungszoit von 15 h ein Gewinde mit einem Steigungswinkel von 5 geschnitten. Die Biegefestigkeit des Schrau-

2 benkerns betrug 1300 bis 1500 N/mm , die Biegefestig-

2 keit des Gewindes 450 bis 500 N/mm .

Beispiel 2

Unidirektional ausgelegte Kohlenstoffaser-Gewebebänder wurden in einer Preßform mit feingemahlenem, bei einer Temperatur oberhalb 180 C erweichenden Hartpech beschichtet und die Anordnung in einem Ofen auf etwa 300 C erhitzt und anschließend unter einem Druck von 0,7 N/mm verdichtet. Die Rohkörper wurden dann unter einem Druck von 25 bar auf 55O°C erhitzt, abgekühlt und zweimal mit einem Steinkohlenteerpech mit einem Erweichungspunkt von ca. 60 C imprägniert. Nach jedem Imprägnierungsschritt wurden die Körper unter Druck auf 55O°C und nach der zweiten Imprägnierung zur vollständigen Carbonisierung der Kohlenstoffmatrix drucklos auf ca. 1000°C erhitzt. Wie in Beispiel 1 beschrieben wurden aus dom Rohkörper zylindrische Stäbe her-'jCsteLLt, deren Vers tärkungsf asern parallel zur Längs-

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ai'hse dor Zylinder angeordnet waren. Hochfeste Kohlenstoffasern mit 3 000 Filamenten wurden dann unter einem Winkel von 85 trocken auf die zylindrischen Kerne aufgewickelt und die Schichten wie oben beschrieben mit Pech imprägniert, carbonisiert und das Gewinde geschnitten. Bei einem Faseranteil von ca. 60 Vol.% wiesen die Schrauben folgende Eigenschaften auf:

	Kern	500	Gewinde	N/mm
Biegefestigkeit	400 -	000	4 50	N/mm
E lastizitäts- modul	110	110 000

Wie in der Zeichnung schematisch verdeutlicht, verlaufen im Schraubenkern 1 die Kohlenstoffasern 2 parallel zur Schraubenlängsachse. Im Gewinde 3 folgen die Verstärkungsfasern der Gewindesteigung. Verglichen mit bekannten Schrauben aus einem Verbundwerkstoff ist dor Schraubenkern und damit die Festigkeit der Schraube unverändert, die Abscherfestigkeit der Gewindegänge ist wio das Vergleichsbeispiel zeigt jedoch wesentlich großer.

Für die Abscherung eines Gewindegangs im Durchschnitt aufzuwendende Kraft:

Matrix unidirektionale gewickelte

Faserorientierung Gewindegänge

Kunstharz 2 800 N 4 400 N

Kohlenstoff 500 N 850 N

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ErI i ruJufKjr.qcmäße Schrauben zeichnen sich neben der qroßen Festigkeit durch eine vorzügliche Korrosionsbeständigkeit und Schrauben mit einer Kohlenstoffmatrix zusätzlich durch eine hohe thermische Stabilität aus. Die Schrauben eignen sich entsprechend besonders als Verbindung von Elementen aus Verbundwerkstoffen, Keramik, Kohlenstoff und Graphit, die besonderen thermischen und chemischen Belastungen ausgesetzt sind.

J Patentansprüche
1 Figur

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Claims (3)

1. 270b336

   Patentansprüche

   (ί.)Schraube aus einem Kohlenstoffasern enthaltenden Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Matrix verteilten Kohlenstoff asern im Schraubenkern in Richtung der Schraubenlängsachse angeordnet sind und im Gewinde unter einem spitzen Winkel zur Längsachse verlaufen.
2. 2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel gleich dem Steigungswinkel des Gewindes ist.
3. 3. Schraube nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix aus Kohlenstoff besteht.

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   809832/OAde ORIGINAL INSPECTED