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DE3224192C2 - Bremsscheibe aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

Bremsscheibe aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff und Verfahren zu ihrer Herstellung

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DE3224192C2
DE3224192C2 DE3224192A DE3224192A DE3224192C2 DE 3224192 C2 DE3224192 C2 DE 3224192C2 DE 3224192 A DE3224192 A DE 3224192A DE 3224192 A DE3224192 A DE 3224192A DE 3224192 C2 DE3224192 C2 DE 3224192C2
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disc
graphite
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Abstract

Eine Bremsscheibe aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, bestehend aus einem Substrat aus kurzen Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit, die in eine Kohlenstoffmatrize eingebettet sind, ist zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten und zur Verringerung des Ausdehnungskoeffizienten in Dickenrichtung so ausgestaltet, daß ihr Substrat aus einem Gemisch von Fasern zweier stark unterschiedlicher Längenbereiche besteht, wobei die längsten Fasern in Ebenen, die nahezu parallel zu den Reibflächen der Scheibe sind, zufällig orientiert und verteilt sind, während die kürzesten Fasern im Volumen der Scheibe zufällig orientiert und verteilt sind. Der eine Längenbereich umfaßt Fasern mit einer Länge zwischen 4 und 6 cm, der andere Längenbereich umfaßt Fasern mit einem Längenbereich zwischen 0,015 und 0,3 cm. Ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bremsscheibe besteht darin, daß in eine Form, die etwa die Gestalt der späteren Scheibe hat und eine Flüssigkeit enthält, eine innige Mischung kurzer Kohlenstoff- oder Graphitfasern entsprechend den zwei Längenbereichen eingegeben wird, daß die Form Ultraschallschwingungen ausgesetzt oder daß durch die Form Luft hindurchgesaugt wird, daß die Flüssigkeit entfernt wird, daß die Form Ultraschallschwingungen ausgesetzt oder daß durch die Form Luft hindurchgesaugt wird, daß die Flüssigkeit entfernt wird und daß abschließend das erhaltene Substrat mit Kohlenstoff verdichtet und einer letzten Wärmebehandlung bei einer Temperatur von maximal .

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Bremsscheibe aus einem Kohlenstoff- Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, bestehend aus einem Substrat aus kurzen Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit, die in eine Kohlenstoffmatrize eingebettet sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Bremsscheibe, die insbesondere als Bremsscheibe für Flugzeug-Scheibenbremsen geeignet ist.
  • Bekanntlich werden Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffe im allgemeinen aus einem zunächst erzeugten Substrat aus Kohlenstoff- oder Graphitfasern, das einer Kohlenstoffverdichtungsbehandlung unterzogen wird, hergestellt. Wie aus der GB 20 27 418 und aus der US-PS 39 91 248 bekannt, können die Kohlenstoff- oder Graphitfasern ihrerseits ausgehend von Polyacrylnitril hergestellt werden.
  • Es ist weiterhin bekannt, daß das Substrat entweder mit langen, in unterschiedlicher Weise orientierten Fasern (zwei- oder dreidimensionale Gewebe, genähte Gebilde usw.) oder mit relativ kurzen Fasern, deren Orientierung teilweise oder vollständig zufällig ist, hergestellt werden kann.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft nur Verbundwerkstoffe, die ausgehend von kurzen Fasern, das heißt von Fasern, deren Länge beispielsweise zwischen 0,01 und 6 cm liegt, hergestellt sind.
  • Zur Herstellung eines Werkstückes in Gestalt einer Bremsscheibe ist es bekannt, daß die kurzen Fasern wahlweise zufällig in bezug auf das Volumen oder die Reibebenen der Scheibe oder wahlweise achssymmetrisch in bezug auf die Scheibenachse angeordnet werden können.
  • Außerdem ist aus der US-PS 36 39 197 eine gattungsgemäße Bremsscheibe aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff bekannt, die aus einem Substrat aus kurzen zufallsorientierten Stapelfasern und mehreren Lagen langer Fasern in dem mechanisch am höchsten beanspruchten Nabenbereich, eingebettet in eine Kohlenstoffmatrize, besteht.
  • Für eine Bremsscheibe sind die drei folgenden Eigenschaften wesentlich:
    • -hoher Widerstand gegen das Bremsmoment,
    • -hoher Reibungswiderstand,
    • -geringer Ausdehnungskoeffizient in Dickenrichtung.
  • Die bekannten Bremsscheiben aus kurzen, nicht vernähten und nicht achssymmetrischen Fasern haben im wesentlichen die erstgenannte Eigenschaft (insofern, als die Fasern vorzugsweise in zu den Reibebenen nahezu parallelen Ebenen liegen und hierin zufällig orientiert sind). Die in diesem Fall verwendete Faserlänge ist im allgemeinen größer als die Dicke der Scheibe.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bremsscheibe der eingangs genannten Art zu schaffen, die gleichzeitig alle drei zuvor genannten Eigenschaften hat.
  • Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Substrat aus einem Gemisch von Faser zweier stark unterschiedlicher Längenbereiche besteht, wobei die längsten Fasern in Ebenen, die nahezu parallel zu den Reibflächen der Scheibe sind, zufällig orientiert und verteilt sind, während die kürzesten Fasern im Volumen der Scheibe zufällig orientiert und verteilt sind.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Bremsscheibe nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
  • Bevorzugte Herstellverfahren für eine derartige Bremsscheibe sind Gegenstand der Ansprüche 5 bis 9.
  • Die Fig. 1 und 2 veranschaulichen die Lage der Fasern in einer Bremsscheibe nach der Erfindung.
  • Fig. 1 ist eine Aufsicht auf eine Scheibe 1, die sehr kurze Fasern 2 und längere Fasern 3 umfaßt.
  • Fig. 2 zeigt diese Scheibe im Schnitt.
  • Gegenüber den bekannten Scheiben hat die Bremsscheibe nach der Erfindung zufolge des Vorhandenseins und der Anordnung der sehr kurzen Fasern die folgenden Vorteile:
    • - verbesserter Reibungswiderstand,
    • - geringerer Ausdehnungskoeffizient in Dickenrichtung.
  • Die längsten Fasern stellen einen hinreichenden Widerstand gegegenüber dem Bremsmoment sicher.
  • Die Länge der längsten Fasern liegt vorteilhaft zwischen 4 und 6 cm, diejenige der kürzesten Fasern zwischen 0,015 und 0,3 cm.
  • Die verwendeten Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit können von verschiedenen Vormaterialien wie Teer, vorzugsweise Steinkohlenteer, Pech und Polyacrylnitril stammen. Die aus Steinkohlenteer gewonnenen Graphitfasern haben den Vorteil, aus einer Graphitqualität zu bestehen, die für Reibungsanwendungen gut geeignet, kostengünstig und sehr gut wärmeleitend ist.
  • Die Scheibe nach der Erfindung kann einen Außendurchmesser zwischen 150 mm und 500 mm sowie eine Dicke zwischen 10 mm und 25 mm haben. Sie kann nach verschiedenen, einen Bestandteil der Erfindung bildenden Verfahren hergestellt werden.
  • Ein erstes Verfahren besteht darin
    • - in eine Form, die etwa die Gestalt und die Abmessungen der herzustellende Scheibe hat und die eine Flüssigkeit enthält, eine innige Mischung aus sehr kurzen Kohlenstoff- oder Graphitfasern zweier sehr unterschiedlicher Längenbereiche einzugeben,
    • - die Form Ultraschallschwingungen auszusetzen,
    • - die Flüssigkeit zu entfernen,
    • - und schließlich eine Verdichtung des Kohlenstoffes des Substrates durchzuführen, gefolgt von einer letzten thermischen Behandlung bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 1800°C.
  • Als Ausgangsmaterial für die Herstellung der Fasern kann beispielsweise Steinkohlenteer oder Polyacrylnitril verwendet werden.
  • Die innige Mischung kann erhalten werden
    • - entweder durch Rühren einer flüssigen Lösung ( beispielsweise aus Wasser und einem Benetzungsmittel), in welche man die gewünschten Mengen von Fasern der zwei Längenbereiche eingibt,
    • - oder in einem Wirbelbett; in diesem Fall werden die Fasern durch Einblasen von Luft ins Innere eines Behälters großer Abmessungen in Bewegung versetzt.
  • Die nach diesem Verfahren erhaltene innige Mischung der Fasern wird in eine flachliegende Form eingegeben, die eine hinreichende Menge von Flüssigkeit enthält, daß nach Eingeben der Fasern (je nach Mischverfahren trocken oder bereits benetzt) die Flüssigkeit bis zum oberen Rand der Form steigt.
  • Die Form wird anschließend Ultraschallschwingungen ausgesetzt, die dazu führen, daß die längsten Fasern und die kürzesten Fasern die für jeden Bereich gewünschte und zuvor beschriebene Orientierung annehmen.
  • Je nach endgültiger Dichte des Fasersubstrates, die erzielt werden soll, kann parallel zu dem Rütteln mittels Ultraschall in der flüssigen Phase ein mechanischer Druck auf die Fasern ausgeübt werden, u. zw. dadurch, daß rechtwinklig auf den Boden der Form beispielsweise mittels eines Bleches eingewirkt wird, das mit kleinen Löchern versehen ist, die die Flüssigkeit hindurchtreten lassen.
  • Nach dem Rütteln mit Ultraschall, gegebenenfalls begleitet von einer Kompression, wird die Flüssigkeit aus dem Substrat entfernt (beispielsweise durch Erhitzen, wenn es sich bei der Flüssigkeit um Wasser handelt) und es wird die Kohlenstoffverdichtung vorgenommen.
  • Hierzu kann wie folgt verfahren werden:
    • - Entweder kann ein chemischer Niederschlag von Kohlenstoff aus der Dampfphase vorgenommen werden, wozu man ein einen Kohlenwasserstoff (beispielsweise Methan) enthaltendes Gas das Innere des zuvor auf ca. 1000°C erhitzten Substrates durchströmen läßt. Der Kohlenwasserstoff zerfällt in Berührung mit den Fasern und läßt so Pyrokohlenstoff-Umhüllungen um die Fasern entstehen;
    • - oder das Substrat wird mit flüssigen Kohlenwasserstoffen (Teer) oder einem Harz imprägniert (getränkt) und in neutraler Atmosphäre karbonisiert; diese beiden Vorgänge können gegebenenfalls mehrfach wiederholt werden. Die erhaltene Kohlenstoffmatrize ist folglich ein Koks;
    • - schließlich können die beiden vorstehenden Verfahren auch miteinander verbunden werden.
  • Das vorzugsweise verwendete Verfahren ist der chemische Niederschlag von Kohlenstoff aus der Dampfphase mit Übergang auf eine Imprägnierung auf flüssigem Wege gegen Ende der Verdichtung gefolgt von einer Karbonisierung und einem nachfolgenden erneuten chemischen Niederschlag von Kohlenstoff aus der Dampfphase.
  • Bei der abschließende thermischen Behandlung der Scheibe werden vorzugsweise 1600°C (oder maximal 1800°C) nicht überschritten, um die größtmögliche Härte der Matrize beizubehalten.
  • Ein weiteres Herstellverfahren ist eine Abwandlung des zuvor beschriebenen Verfahrens. Die verschiedenen Schritte sind praktisch die gleichen mit Ausnahme der Behandlung durch Ultraschallschwingungen in der flüssigen Phase zur Orientierung der Fasern. Dieser Schritt wird durch ein Ansaugverfahren ersetzt: Die Ansaugfläche ist eine der planen Wände der Form, das heißt eine der Reibflächen der künftigen Scheibe. Selbstverständlich umfaßt die Form in diesem Falle eine Wand, die hinreichend dicht ist, um die Fasern zurückzuhalten und hinreichend durchlässig ist, um die Ansaugluft hindurch zu lassen.

Claims (9)

1. Bremsscheibe aus einem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, bestehend aus einem Substrat aus kurzen Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit, die in eine Kohlenstoffmatrize eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat aus einem Gemisch von Fasern zweier stark unterschiedlicher Längenbereiche besteht, wobei die längsten Fasern in Ebenen, die nahezu parallel zu den Reibflächen der Scheibe sind, zufällig orientiert und verteilt sind, während die kürzesten Fasern im Volumen der Scheibe zufällig orientiert und verteilt sind.
2. Bremsscheibe nach Anspuch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der längsten Fasern vorzugsweise zwischen 4-6 cm und die Länge der kürzesten Fasern vorzugsweise zwischen 0,015 und 0,3 cm liegt.
3. Bremsscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff- oder Graphitfasern ausgehend von Steinkohlenteer herstellt sind.
4. Bremsscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoff- oder Graphitfasern ausgehend von Poylacrylnitril hergestellt sind.
5. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Form, die etwa die Gestalt und die Abmessungen der späteren Scheibe hat und eine Flüssigkeit enthält, eine innige Mischung kurzer Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit zweier sehr unterschiedlicher Längenbereiche eingegeben wird, daß die Form Ultraschallschwingungen ausgesetzt wird, daß die Flüssigkeit entfernt wird, und daß abschließend das erhaltene Substrat mit Kohlenstoff verdichtet und einer letzten Wärmebehandlung bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 1800°C unterzogen wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Ultraschallbehandlung eine mechanische Verdichtung der Fasern rechtwinklig zu den Reibflächen der Scheibe vorgenommen wird.
7. Verfahren zur Herstellung einer Bremsscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in eine Form, die die Gestalt einer Scheibe hat und eine plane, hinreichend luftdurchlässige, für die Fasern undurchlässige Wand besitzt, eine innige Mischung aus kurzen Fasern aus Kohlenstoff oder Graphit zweier sehr unterschiedlicher Längenbereiche eingegeben wird, daß durch die plane Wand Luft angesaugt wird, und daß abschließend eine Kohlenstoffverdichtung des erhaltenen Substrats und eine letzte Wärmebehandlung bei einer Temperatur von weniger als oder höchstens 1800°C vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung des Substrates durch chemischen Niederschlag von Kohlenstoff aus der Dampfphase erfolgt.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung zusätzlich mindestens einen Imprägnier/ Karbonisierschritt eines Steinkohlenteers oder eines Harzes umfaßt.
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