DE3872911T2

DE3872911T2 - Gewebe mit mehrschichtenaufbau und ein derartiges gewebe enthaltender verbundwerkstoff.

Info

Publication number: DE3872911T2
Application number: DE8888105206T
Authority: DE
Inventors: Eiji Sato; Koji Takenaka
Original assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Current assignee: Asahi Chemical Industry Co Ltd
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1988-03-30
Publication date: 1992-12-03
Anticipated expiration: 2008-03-31
Also published as: EP0286004A1; CA1286588C; DE3872911D1; EP0286004B1; US5021283A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

(1) Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mehrschicht- Webware, die eine Mehrzahl von Gewebeschichten enthält und eine dreidimensionale Struktur hat, welche geeignet ist als verstärkende Faser für ein faserverstärktes Verbundmaterial, und auf ein Verbundmaterial, das die Mehrschicht-Webware als Verstärkung bzw. Armierung enthält.
Genauer gesagt bezieht sich die Erfindung auf eine Mehrschicht-Webware, in der honigwabenartige Zellen gebildet werden können durch eine spezielle Kombination von verbundenen Bereichen und nicht verbundenen Bereichen, wenn das Gewebe expandiert, das heißt geöffnet, wird, und auf ein hochwertiges Verbundmaterial mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, das durch Kombinieren dieser Mehrschicht-Webware mit einem speziellen Kunstharz erhalten wird.

(2) Beschreibung der verwandten Technik

Als ein herkömmliches Verbundmaterial ist eine Konstruktion bekannt, die durch Verbinden eines eine Oberflächenschicht bildenden Flächenteils mit einem eine honigwabenartige Struktur besitzenden Kernmaterial (im folgenden bezeichnet als "Wabenkern") gebildet wird.
Im allgemeinen werden herkömmliche Wabenkerne dadurch erhalten, daß ein Klebstoff in äquidistanten Streifen auf ein dünnes Blatt, z.B. Papier, eine Aluminiumfolie oder einen Film, aufgebracht wird, daß diese klebstoffbeschichteten dünnen Blätter laminiert und verbunden werden und daß die gebundene Struktur expandiert wird, um eine eine Vielzahl von Zellen aufweisende honigwabenartige Struktur zu bilden.
Es ist bekannt, daß eine aus Glasfasern oder dergleichen zusammengesetzte ebene Webware benutzt wird als Blattmaterial zum Bilden eines Wabenkerns entsprechend dem oben genannten Verfahren, und es ist auch bekannt, daß ein Verbundmaterial vorbereitet wird durch Imprägnieren dieses Wabenkerns mit einem wärmehärtbaren Kunstharz, z.B. einem Epoxidharz. Dieser Wabenkern besitzt jedoch keine ausreichende Zug- bzw. Zerreißfestigkeit, Spaltfestigkeit und Scher- bzw. Schubfestigkeit der verbundenen Flächen. Obwohl der Gebrauch eines Honigwabenbaumaterials als Baustoff eines Flugzeugs jetzt erwünscht ist, wurde wegen der vorgenannten Mängel kein befriedigendes Honigwabenbaumaterial erhalten.
Das US-Patent Nr. 3 102 559 offenbart ein zu einer Honigwabenstruktur gewebtes Verbundmaterial. Die Honigwabenstruktur enthält eine Mehrzahl von Webwarenschichten, die partiell miteinander verbunden sind durch Verbindungsbereiche, welche gebildet werden durch Verweben einiger Kett- oder Schußfäden einer ersten von zwei angrenzenden Gewebeschichten und einigen Kett- oder Schußfäden einer zweiten der Webwarenschichten mit gemeinsamen Schußfäden. In diesem Fall werden Teile abgezweigt von jeder der ersten und zweiten Webwarenschichten, und diese Teile werden verbunden zum Bilden der Verbindungsbereiche. Die Struktur wird aus Garnen gewebt, die zusammengesetzt sind aus Naturfasern, Nylonfasern, Glasfasern oder dergleichen mit einem wärmehärtbaren Kunstharz. In diesem Verbundmaterial ist die Zug- bzw. Zerreißfestigkeit der verbundenen Flächen verbessert, und es wird eine relativ hohe Druckfestigkeit erreicht, weil die gewebte Honigwabenstruktur mit einem wärmehärtbaren Kunstharz kombiniert ist. Dieses Verbundmaterial ist jedoch als Baustoff für ein Flugzeug noch unbefriedigend, und da das Verbundmaterial spröde ist, neigt es dazu zu brechen, wenn es wiederholt beansprucht wird.
Weiterhin ist ein Verbundmaterial bekannt, das aus einem Vlies von Kohlenstoff-Fasern oder Aramidfasern imprägniert mit einem wärmehärtbaren Kunstharz besteht. Obwohl dieser Verbundstoff eine hohe Zug- bzw. Zerreißfestigkeit und eine ausgezeichnete Druckfestigkeit besitzt, ist das Verbundmaterial noch brüchig und hat noch eine unbefriedigende Schlagfestigkeit. Folglich ist die Anwendung des Verbundmaterials in Gebieten, wo die Bedingungen strenger als herkömmlich sind, z.B. bei Flugzeugen, schwierig, und der Anwendungsbereich des Verbundmaterials ist begrenzt. Ein leichtes Gewicht ist eine wichtige Bedingung für die Anwendung im Bereich von Flugzeugen. Wenn das Gewicht dieses Verbundmaterials vermindert werden soll, müssen die Zug- bzw. Zerreißfestigkeit und die Druckfestigkeit reduziert werden, und wenn wiederholt Belastung ausgeübt wird, neigt das Verbundmaterial dazu zu brechen und der Stoßwiderstand ist verschlechtert. Ferner zeigt das Verbundmaterial eine geringe Dauerhaftigkeit und Wärmefestigkeit, wenn ein Flugzeugteil wiederholt einer hohen und einer niedrigen Temperatur ausgesetzt wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung, eine vorzugsweise zum Herstellen eines Verbundmaterials geeignete Webware zu schaffen, welche ein geringes Gewicht besitzt, eine ausgezeichnete Druckfestigkeit in einem weiten Temperaturbereich zeigt, bei wiederholter Belastung nicht gebrochen wird und eine ausgezeichnete Schlagfestigkeit hat, und weiterhin, unter Verwendung dieser Webware ein Verbundmaterial zu schaffen, in dem die vorgenannten Eigenschaften höchst wirkungsvoll vorliegen.
Spezieller wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Webware mit einer Mehrschichtstruktur geschaffen, welche eine Mehrzahl von Webwarenschichten enthält, die durch Verbindungsbereiche integriert werden, welche gebildet werden durch Verweben eines Kett- oder Schußfadens der einen von aneinander grenzenden Gewebeschichten oder einigen der Kett- oder Schußfäden der einen Gewebeschicht und eines Kett- oder Schußfadens der anderen Gewebeschicht oder einigen der Kett- oder Schußfäden der anderen Gewebeschicht mit gemeinsamen Schußfäden oder Kettfäden, worin ein Satz von vier aneinander angrenzenden Gewebeschichten wiederkehrende Baueinheiten umfaßt, die enthalten (A) einen einen Verbindungsbereich aufweisenden Teil, der durch zwei mittlere Gewebe gebildet wird, (B) einen ersten nicht verbindenden Teil ohne Verbindungsbereich, (C) einen zwei Verbindungsbereiche aufweisenden Teil, die beide zwei durch angrenzende Gewebeschichten gebildet werden, und (B) einen zweiten nicht verbundenen Teil ohne Verbindungsbereich; eine Bienenwabenstruktur mit einer Vielzahl von Zellen, die die Form von Vierecken, Sechsecken oder einer Kombinationen von Vierecken und Sechsecken haben, wird zwischen den gesamten Gewebeschichten gebildet, wenn die Mehrschicht-Webware in Richtung ihrer Dicke expandiert wird; und 40 bis 100 Gew.% der das Gewebe bildenden Fasern sind organische Fasern, welche unschmelzbar sind oder einen Schmelzpunkt von wenigstens 300 ºC und ein Anfangs-Modul von wenigstens 220,5 cN/dtex (250 g/d) besitzen, und 0 bis 60 Gew.% der das Gewebe bildenden Fasern sind anorganische Fasern oder Metallfasern.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verbundmaterial mit einer Honigwabenstruktur geschaffen, die als eine Matrix ein thermoplastisches Kunstharz mit einer Wärmefestigkeitstemperatur von wenigstens 150 ºC und als Verstärkung bzw. Armierung die oben genannte Webware mit Mehrschichtstruktur enthält, wobei die Menge der die Mehrschicht-Webware bildenden Fasern 20 bis 70 Gew.% und die Menge der das Kunstharz bildenden Matrix 80 bis 30 Gew.% beträgt.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Diagramm, das einen Profilschnitt einer Vier-Schicht-Webware nach der Erfindung darstellt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, das die Form von Zellen zeigt, wenn die Vier-Schicht-Webware nach Fig. 1 expandiert wird;
Fig. 3 ist ein Diagramm, das den Profilschnitt einer anderen Vier-Schicht-Webware nach der Erfindung darstellt;
Fig. 4 ist ein Diagramm, das die Form der Zellen darstellt, die entstehen, wenn die Mehrschicht-Webware nach Fig. 3 expandiert wird; und
Fig. 5 ist ein Diagramm des Profilschnitts einer noch anderen Vier-Schicht-Webware nach der Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Die Mehrschicht-Webware nach der Erfindung enthält eine Vielzahl von Gewebeschichten, die durch Verbindungsbereiche integriert werden, welche gebildet werden durch Verweben eines Kett- oder Schußfadens der einen von angrenzenden Gewebeschichten oder einigen Kett- oder Schußfäden der einen Gewebeschicht und eines Kett- oder Schußfadens der anderen Gewebeschicht oder einigen Kett- und Schußfäden der anderen Gewebeschicht mit gemeinsamen Schußfäden oder Kettfäden.
In dem Verbindungsbereich werden alle oder einige der Kettfäden einer Zwei-Schicht-Webware, bestehend aus einem Satz von angrenzenden und gegenüberstehenden oberen und unteren Garnfäden, als obere oder untere Kettfäden verwebt, um den Verbindungsbereich mit einem gemeinsamen Schußfaden zu bilden, der getrennt von der Zwei-Schicht-Webware eingetragen wird, wodurch eine kombinierte Webstruktur gebildet wird.
In der Mehrschicht-Webware nach der Erfindung enthält ein Satz von angrenzenden vier Schichten wiederkehrende Baueinheiten, die enthalten (A) einen einen Verbindungsbereich aufweisenden Teil, der durch zwei mittlere Gewebeschichten gebildet wird, (B) einen ersten nicht verbindenden Teil ohne Verbindungsbereich, (C) einen zwei Verbindungsbereiche aufweisenden Teil, von denen jeder durch zwei einander benachbarte Gewebeschichten gebildet wird, respektive, und (B) einen zweiten nicht verbundenen Teil ohne Verbindungsbereich, und eine Honigwabenstruktur wird zwischen den gesamten Gewebeschichten gebildet, wenn die Mehrschicht-Webware in Richtung ihrer Dicke expandiert (das heißt geöffnet) wird.
Durch Bildung der Honigwabenstruktur zwischen den gesamten Webwarenschichten wird ein gewichtsvermindernder Effekt in einem Verbundmaterial erreicht, das aus dieser Webware hergestellt ist, und demgemäß wird eine hohe spezifische Festigkeit in dem Verbundmaterial erreicht.
In der Mehrschicht-Webware nach der Erfindung liegt das Verhältnis der Dichte der expandierten Mehrschicht-Webware zur Dichte der Mehrschicht-Webware vor der Expansion vorzugsweise in der Größenordnung von 0,05 bis 0,3, wobei die Dichte der expandierten Mehrschicht-Webware die scheinbare Dichte bezeichnet, die aus dem Volumen und dem Gewicht bestimmt wird, wenn die Mehrschicht-Webware normal expandiert ist, so daß die inneren Winkel der jeweiligen tetragonalen und/oder hexagonalen Zellen gleich sind.
Die Dichte ändert sich entsprechend der bei der Expansion gebildeten Form der Zellen, obwohl die Dichte in gewissem Maße beeinflußt wird durch die Feinheit der die Webware bildenden Kett- oder Schußfäden, die Webdichte und dergleichen. Eine Mehrschicht-Webware mit einem höheren Dichteverhältnis wird als Verstärkung bzw. Armierung bevorzugt, weil es eine hohe mechanische Wirksamkeit verleiht, aber die Mehrschicht- Webware ist nachteilig mit Rücksicht auf den gewichtsvermindernden Effekt. Andererseits wird eine Mehrschicht-Webware mit niedrigem Dichteverhältnis nicht als Verstärkung bzw. Armierung bevorzugt, weil die mechanische Wirksamkeit verschlechtert wird.
In einem hochwertigen Verbundmaterial, das durch die Erfindung geschaffen werden soll, beispielsweise als Baustoff für ein Flugzeug, kann das erstrebte Ziel nicht nur erreicht werden durch ein leichtes Gewicht oder gute mechanische Eigenschaften, vielmehr muß das Gewicht hoch sein und die mechanischen Kenndaten müssen ausgezeichnet sein. In der erfindungsgemäßen Mehrschicht-Webware liegt, um diesen Bedingungen zu genügen, das vorgenannte Dichteverhältnis vorzugsweise in der Größenordnung von 0,05 bis 0,3.
Wie oben angegeben, muß eine Bienenwabenstruktur erfindungsgemäß zwischen den gesamten Schichten der Mehrschicht-Webware gebildet werden, so daß das Verhältnis zwischen den Dichten vor und nach der Expansion in einer speziellen Größenordnung liegt. Die diese Bienenwabenstruktur bildenden Baueinheiten werden nun im einzelnen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, die erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das einen Teil eines Satzes von vier benachbarten Schichten einer Mehrschicht-Webware nach der Erfindung darstellt. Nach Fig. 1 besitzen die Gewebeschichten 11, 12, 13 und 14 eine Grundwebbindung mit wiederkehrenden Baueinheiten, die kontinuierlich kombinierte Teile A und C für je vier nicht kombinierte Teile B umfassen. In Teil A werden die Kettfäden der zweiten und dritten Gewebeschichten 12 und 13 mit drei kontinuierlich eingebrachten Verbindungsschüssen 30a, 30b, 30c durch Grundbindungen zum Bilden eines mittleren Verbindungsbereichs verwebt. Dieser Verbindungsbereich bildet eine unabhängige einzelne Gewebeschicht. Daher besitzt Teil A eine Dreischicht-Struktur mit der ersten Gewebeschicht 11, der mittleren Verbindungsteilschicht und der vierten Gewebeschicht 14. In Teil C werden die Kettfäden der ersten und zweiten Gewebeschicht 11 und 12 mit drei kontinuierlich eingebrachten Verbindungsschüssen 31a, 31b und 31c durch Grundwebbindungen verwebt, um einen oberen Kombinationsbereich zu bilden, und die Kettfäden der dritten und vierten Gewebeschichten 13, 14 werden mit drei kontinuierlich eingebrachten Verbindungsschüssen 32a, 32b, 32c durch Grundwebbindungen verwebt, um einen oberen Verbindungsbereich zu bilden. Daher wird in Teil C eine Zwei- Schicht-Struktur gebildet, die obere und untere Verbindungsbereiche enthält. Wenn die Mehrschicht-Webware mit dem vorgenannten Aufbau expandiert wird, entsteht ein dreidimensionales Gewebe mit einer Honigwabenstruktur nach Fig. 2.
Die Längen der Verbindungsbereiche in den Teilen A und C können eingestellt werden durch Vergrößern oder Verkleinern der Zahl der Verbindungspunkte von Kett- und Schußfäden der beiden an der Bildung der Verbindungsbereiche beteiligten Gewebeschichten, und daher kann die Zahl der Verbindungspunkte entsprechend der vorgesehenen Verwendung der Honigwabenstruktur oder der gewünschten Form der Honigwabenzellen geeignet bestimmt werden. Beispielsweise kann eine aus modifizierten Vierecken gebildete Honigwabenstruktur oder eine Honigwabenstruktur aus einer Kombination von Vierecken und Secksecken gebildet werden durch Veränderung der Länge der Verbindungsbereiche in den Teilen A und C.
Bezugnehmend auf Fig. 3 wird ein anderes Ausführungsbeispiel der Mehrschicht-Webware nach der Erfindung dargestellt, jede Gewebeschicht besitzt eine Grundwebbindung und Zwischenschicht-Verbindungsbereiche, die in den Teilen A und C gebildet werden. In Teil A werden die Kettfäden 12a und 12b der zweiten Webschicht 12 und Kettfäden 13a und 13b der dritten Webschicht 13 mit Verbindungsschußfäden 30a und 30b verwebt, um einen mittleren Verbindungsbereich zu schaffen. In Teil C werden Kettfäden der ersten Gewebeschicht 11 und Kettfäden der zweiten Gewebeschicht 12 mit Verbindungsschüssen 31a und 31b zum Bilden eines oberen Verbindungsbereichs verwebt, und Kettfäden der dritten Gewebeschicht 13 und Kettfäden der vierten Gewebeschicht 14 werden mit Verbindungsschüssen 32a und 32b zum Bilden eines unteren Verbindungsbereichs verwebt. In den Teilen A und B wird jeder Verbindungsbereich in jeder Schicht durch eine Ein- Punkt-Verbindung mit zwei Verbindungsschüssen für jede vier Grundwebbindungen gebildet. Wenn diese Vier-Schicht-Webware expandiert wird, wird folglich ein dreidimensionales Gewebe mit im Querschnitt diamantförmigen Zellen, wie in Fig. 4 gezeigt, gebildet.
Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer Mehrschicht-Webware, in welcher einige der Kettfäden 11a, 12a, 13a, 14a der jeweiligen Gewebeschichten 11 bis 14 mit Verbindungsschüssen 30a, 31a und 32a verwebt sind, um Verbindungsbereiche A und C und Nichtverbindungsbereiche B zu schaffen.
Die Länge der Nichtverbindungsbereiche B ist nicht besonders kritisch. Wenn die Länge der Nichtverbindungsbereiche B vergrößert wird, kann ein größere polygonale Zellen aufweisendes Gewebe mit Honigwabenstruktur erhalten werden und demgemäß kann ein faseriges Material geliefert werden, das geeignet ist zur Herstellung eines Verbundmaterials, das die Forderungen nach Gewichtsverminderung und Formvergrößerung erfüllt. Wann jedoch im Gegensatz dazu die Länge des Nichtverbindungsbereichs B verkürzt wird, kann eine Mehrschicht-Webware mit einer dichten und starken Honigwabenstruktur geliefert werden, die als ein industrielles Material geeignet ist.
Die Bindung jeder Gewebeschicht ist nicht beschränkt auf die oben genannte Grundwebbindung, auch andere Bindungen, z.B. Körper- oder Atlas-Bindungen, können beliebig gewählt werden.
In der Mehrschicht-Webware nach der Erfindung werden wenigstens vier Gewebeschichten integriert, um die honigwabenartige Struktur mit Zellen im Querschnitt der Mehrschicht- Webware zu bilden. Die Dicke der Mehrschicht-Webware kann vergrößert werden durch Vermehrung der übereinander zu setzenden Gewebeschichten.
Die Mehrschicht-Webware nach der Erfindung kann koinzident hergestellt werden durch Verwendung einer Webmaschine mit vielen Schützen auf beiden Seiten, z.B. einer Schützenwebmaschine mit einer Vielzahl von Dobbies oder einem Greiferwebstuhl mit einer Vielzahl von Dobbies. Wenn die Zahl der übereinander anzuordnenden Gewebeschichten vergrößert wird, werden ein Jacquard-Öffner oder eine Mehrzahl von Kettbäumen vorgesehen und ein Greiferstuhl mit einer Mehrzahl von Fachöffnungen und einer Mehrzahl von Schußeintragsmechanismen wird eingesetzt. Ferner wird ein Webstuhl benutzt, der mit einem Mechanismus ausgestattet ist zum intermittierenden Anhalten der Kettzuführung und der Gewebeaufwindung synchron mit der Bewegung der Webbindung.
Gemäß vorliegender Erfindung müssen 40 bis 100 Gew.% der gesamten, die Mehrschicht-Webware bildenden Fasern organische Fasern sein, die unschmelzbar sind oder einen Schmelzpunkt von wenigstens 300 ºC haben und einen Anfangs-Modul von wenigstens 220,5 cN/dtex (250 g/d) besitzen, und 0 bis 60 Gew.% der Fasern müssen anorganische Fasern oder Metallfasern sein.
Die Konstitution der die Mehrschicht-Webware nach der Erfindung bildenden Fasern ist sehr wichtig. Die Mehrschicht-Webware nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß 40 bis 100 Gew.% der gesamten Fasern der Mehrschicht-Webware organische Fasern sind, die unschmelzbar sind oder einen Schmelzpunkt von wenigstens 300 ºC besitzen und einen Anfangs-Modul von wenigstens 220,5 cN/dtex (250 g/d) haben.
Wo das Verbundmaterial nach dem Ziel der vorliegenden Erfindung als Baumaterial eines Flugzeugs verwendet wird, müssen die mechanischen Kenndaten des Baustoffs eingehalten werden in einem weiten Temperaturbereich von einer niedrigen Temperatur bis zu einer hohen Temperatur unter schwierigen Bedingungen, derart, daß das Material mehrfach hohen und niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird. Außerdem müssen die Fasern, die als Verstärkung wirken, an sich eine hohe Temperaturfestigkeit aufweisen. Aus diesem Grunde müssen die Fasern unschmelzbar sein oder einen Schmelzpunkt von wenigstens 300 ºC besitzen. Ferner sollen die Fasern nicht brechen, selbst wenn sie einem Wärmekreislauf mit wiederholt hohen und niedrigen Temperaturen ausgesetzt werden. Die speziellen organischen Fasern sind vorteilhaft gegenüber Glasfasern oder dergleichen, da die Schlagfestigkeit ausgezeichnet ist und die Fasern seltener, selbst bei starkem Temperaturwechsel, brechen.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten organischen Fasern müssen einen Anfangs-Modul von wenigstens 220,5 cN/dtex (250 g/d) haben. Namentlich die Druckfestigkeit, die eine der für ein Bienenwaben-Verbundmaterial geforderten Eigenschaften bildet, muß hoch sein. Im Verbundmaterial wird die Druckbelastung namentlich ausgeübt in der Längsrichtung der Kett- oder Schußfäden, die die Webware als Verstärkung bzw. Armierung darstellen, und im Falle, daß die Fasern einen niedrigen Anfangs-Modul haben, kann leicht eine Verformung verursacht werden, und eine hohe Druckfestigkeit kann nicht erhalten werden. Diese Anfälligkeit zur Verformung ist speziell deutlich bei hohen Temperaturen. Zum Erhalten eines Verbundmaterials, das die Eigenschaft hat, selbst bei hohen Temperaturen eine hohe Druckfestigkeit zu behalten, muß folglich der Anfangs-Modul der die Webware bildenden organischen Fasern, hoch sein. Wo das Verbundmaterial nach einem Ziel der vorliegenden Erfindung als Baustoff eines Flugzeugs oder dergleichen verwendet wird, muß der Anfangs-Modul der organischen Fasern wenigstens 220,5 cN/dtex (250 g/d), vorzugsweise wenigstens 264,6 cN/dtex (300 g/d) betragen.
Das Mischungsverhältnis von organischen Fasern und anorganischen Fasern oder Metallfasern ist wichtig. Wenn die Menge der organischen Fasern kleiner als 40 Gew.% ist und die Menge der anorganischen Fasern oder Metallfasern größer ist als 60 Gew.%, sind trotz hoher erreichter Wärmebeständigkeit gute mechanische Eigenschaften schwer zu erhalten, wegen Bruchs der Fasern (speziell der organischen Fasern) bei dem oben genannten Wärmekreislauf oder Metallermüdung im Fall von Metallfasern. Da ferner die anorganischen Fasern oder Metallfasern eine geringe Biegsamkeit haben, kann eine befriedigende mechanische Wirksamkeit nicht erreicht werden. In der Mehrschicht-Webware nach der vorliegenden Erfindung ist es nicht immer notwendig, die anorganischen Fasern oder Metallfasern zu verwenden, denn nach einem Merkmal können die organischen Fasern allein benutzt werden. Die Menge der anorganischen Fasern oder Metallfasern kann innerhalb eines Bereichs von 0 bis 60 Gew.% je nach der beabsichtigten Verwendung, frei gewählt werden.
Als nach der vorliegenden Erfindung zu verwendende organische Fasern, die unschmelzbar sind oder einen Schmelzpunkt von wenigstens 300 ºC besitzen, können beispielsweise genannt werden Fasern von aromatischen Polyamiden, repräsentiert durch Poly-m-Phenylen-Isophthalamid und Poly-p-Phenylen-Terephthalamid; aromatische Polyamid-Imide, abgeleitet von einem aromatischen Diamin, wie p-Phenylen-Diamin oder 4,4'-Diaminodiphenyl-Ether und einer aromatischen Tri- oder Tetra-Basis-Säure, wie Trimellith-Anhydrid oder Pyromellith- Anhydrid; aromatische Polyimide; aromatische Polyester, abgeleitet von einer aromatischen Dikarbonsäure oder einem Derivat davon und einem aromatischen Diol; Polybenzoxazole, wie Polybenzoxazol, Polybenzo[1,2-d;5,4-d']bisoxazol-2,6-Diyl-1,4-Phenylen Polybenzo[1,2-d;5,4-d']bisoxazol-2,6-Diyl-1,4-Phenylen Polybenzo[1,2-d;5,4-d']bisoxazol-2,6-Diyl-4,4'-Biphenylen, und Poly-6,6'-Bibenzoxazol-2,2'-Diyl-1,4-Phenylen; und Polybenzothiazole, wie Polybenzothiazol, Polybenzo[1,2-d;5,4-d']Bisthiazol-2,6-Diyl-1,4-Phenylen, Polybenzo[1,2-d;4,5-d']Bisthiazol-2,6-Diyl-4,4'-Biphenylen und Poly- 6,6'-Bibenzothiazol-2,2'-Diyl-1,4-Phenylen. Von diesen organischen Fasern werden Fasern mit paraorientierten aromatischen Polyamiden, wie Poly-p-Phenylen-Terephthalamid und Poly(p-Phenylen-3,4-Diphenylether)Terephthalamid, und Fasern von Poly-Benzoxazolen oder Polybenzothiazolen als organische Fasern in der vorliegenden Erfindung besonders bevorzugt verwendet, weil hoch-zähe Fasern mit einer Zug- bzw. Zerreißfestigkeit von wenigstens 15,9 cN/dtex (18 g/d) und einem Anfangs-Modul von wenigstens 264,6 cN/dtex (300 g/d) erhalten werden können.
Als spezielle Beispiele der anorganischen oder Metallfasern können genannt werden von Polyacrylonitril-Fasern enthaltene Kohlefasern, aus Pech hergestellte pechartige Kohlefasern, Glasfasern, wie Fasern von E-Glas, S-Glas und C-Glas, Aluminiumoxid-Fasern, Siliziumcarbid-Fasern und Fasern aus Silizium-Nitrid und Bornitrid. Von diesen Fasern werden im Rahmen der Erfindung Kohlefasern und Glasfasern wegen ihrer guten Handhabungs Eigenschaften und aus wirtschaftlichen Gründen bevorzugt eingesetzt.
Diese Fasern werden üblich benutzt in Form von Multi-Filament-Garnen als Kett- oder Schußfäden, und das beabsichtigte Ziel der Erfindung kann erreicht werden, selbst wenn diese Fasern in Form von gesponnenem Garn benutzt werden.
In Verbindung mit der Dicke, das ist die Feinheit der erfindungsgemäßen Fasern, beträgt die Einzel-Filament-Feinheit vorzugsweise 0,1 dtex bis 55,6 dtex (0,1 bis 50 d) und die Feinheit eines Multi-Filament-Garns, das als Kette oder Schuß benutzt wird, beträgt 55,6 dtex bis 6.666,7 dtex (50 bis 6.000 d), obwohl diese Werte nicht besonders kritisch sind.
Die oben genannten organischen Fasern und anorganischen oder metallischen Fasern können sowohl als Kette als auch als Schuß zum Herstellen der Mehrschicht-Webware verwendet werden. Beide Arten von Fasern können gemischt gewebt, oder eine Art von Fasern kann benutzt werden als Kette und die andere Art von Fasern als Schuß, jeweils nach Wunsch. Da anorganische Fasern und Metallfasern eine geringe Biegefestigkeit und Biegbarkeit haben, wird es speziell bevorzugt, die organischen Fasern für die Ketten und die anorganischen oder metallischen Fasern für die Schüsse zu verwenden. Natürlich können die organischen Fasern auch für die Schüsse verwendet werden. Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden aromatische Polyamid-Fasern, Polybenzoxazazol-Fasern und Polybenzothiazol-Fasern mit einer Zug- bzw. Zerreißfestigkeit von wenigstens 15,9 cN/dtex (18 g/d) und einem Anfangs-Modul von wenigstens 264,6 cN/dtex (300 g/d) für die Kettfäden und Kohlefasern oder Glasfasern für die Schußfäden benutzt.
In der Mehrschicht-Webware nach der vorliegenden Erfindung werden die Deckfaktoren der das Gewebe bildenden Kett- und Schußfäden repräsentiert durch die folgenden Formeln, und vorzugsweise ist die Summe des Deckfaktors kw in der Kettrichtung und des Deckfaktors kf in der Schußrichtung wenigstens 300 und die Summe von Kw und Kf, unten erläutert, ist wenigstens 3.000:
kw = dw d/ ,
kf = df d/ ,
KW = Dw d/ und
Kf = Df d/
darin stehen kw und kf für die Deckfaktoren jeder Schicht, die die Mehrschicht-Webware in Kettrichtung bzw. in Schußrichtung bildet, Kw und KF stehen für die Deckfaktoren der ganzen Mehrschicht-Webware in der Kettrichtung bzw. Schußrichtung; dw und df stehen für die Kett- und Schußdichten jeder Schicht, ausgedrückt durch die Zahl der Kettfäden bzw. Schußfäden pro Zoll; Dw und Df stehen für die totalen Kett- und Schußdichten für die gesamte Mehrschicht-Webware ausgedrückt durch die Zahl der Kettfäden bzw. Schußfäden pro Zoll; d steht für die Feinheit (Denier) von Kett- oder Schußfäden; und steht für die Dichte (g/cm³) der Fasern.
Es gibt keine eingeführte Theorie betreffend die Webgrenze durch den Deckfaktor. In der Mehrschicht-Webware nach der Erfindung wird der Deckfaktor ausgedrückt durch (Deckfaktor einer Schicht × Zahl der Schichten). Wenn der Deckfaktor einer Schicht klein ist, wird die Bindungsfestigkeit vermindert. Weiterhin, selbst bei großem Deckfaktor einer Schicht ist die Festigkeit des gebildeten Verbundmaterials verschlechtert, wenn der Deckfaktor der Mehrschicht-Webware als Ganzes klein ist. Nach dem Vorhergehenden beträgt nach der vorliegenden Erfindung die Summe von kw und kf als Deckfaktor vorzugsweise wenigstens 300, insbesondere 300 bis 5.000, und die Summe von Kw und Kf beträgt wenigstens 3.000, insbesondere 3.000 bis 50.000, bevorzugt 5.000 bis 20.000.
Das Verbundmaterial nach der vorliegenden Erfindung ist ein Verbundmaterial, das im wesentlichen aus der vorgenannten Mehrschicht-Webware nach der vorliegenden Erfindung und einem thermoplastischen Kunstharz mit einer Wärmefestigkeitstemperatur von wenigstens 150 ºC besteht.
Nach der Erfindung muß das Matrix-Harz ein thermoplastisches Harz sein. Namentlich, wie gesagt, wird ein Verbundmaterial bei Verwendung als Baustoff für ein Flugzeug oder dergleichen wiederholt hohen und niedrigen Temperaturen ausgesetzt und unter härtesten Bedingungen verwendet, so daß die Belastung wiederholt bei diesem Wärmekreislauf ausgeübt wird. Das wärmehärtbare Kunstharz, das herkömmlich als Matrixharz des Verbundmaterials verwendet wird, ist sehr brüchig, und wenn das wärmehärtbare Kunstharz einem wiederholten Einfluß von mechanischer Belastung unter wiederholtem Wärmekreislauf mit hohen und niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird, neigt das wärmehärtbare Kunstharz sehr dazu zu brechen. Im Gegensatz dazu ist im dem Verbundmaterial nach der Erfindung die Brüchigkeit des Kunstharzes an sich niedrig, da ein spezielles thermoplastisches Kunstharz als Matrixharz verwendet wird, und selbst wenn das Verbundmaterial wiederholt mechanischer Belastung in einem wiederholten Wärmekreislauf mit niedrigen und hohen Temperaturen ausgesetzt wird, werden wenige Risse in dem Harz gebildet, mit dem Ergebnis, daß der Baustoff nicht gebrochen wird und die Stoßfestigkeit verbesert ist.
Da ein spezielles thermoplastisches Kunstharz als Matrixharz benutzt wird, wird das Harz verformt infolge der Deformation der verstärkenden Fasern, die die Mehrschicht-Webware bilden, und die Kenndaten der verstärkenden Fasern können vollständig ausgenutzt werden. Daher werden mechanische Festigkeits-Kenndaten, z.B. Bruchfestigkeit und Zerreiß- bzw. Zugfestigkeit, vergrößert, und ein sehr hoher Verstärkungs- bzw. Armierungseffekt kann erreicht werden.
Unter Berücksichtigung des Vorangehenden wird die Festigkeit bzw. Biegesteife des in der vorliegenden Erfindung verwendeten thermoplastischen Kunstharzes wie üblich bestimmt entsprechend der Verformbarkeit der verwendeten verstärkenden Fasern. Namentlich wird in der Erfindung vorzugsweise ein thermoplastisches Kunstharz mit einer Dehnung gleich oder höher als die Dehnung der verstärkenden Fasern benutzt.
In dem Verbundmaterial nach der Erfindung muß die Wärmefestigkeitstemperatur des Matrixharzes wenigstens 150 ºC betragen. Um ein Verbundmaterial zu erhalten, das nach einem Ziel der vorliegenden Erfindung eine hohe mechanische Belastung bei hohen Temperaturen aushält, darf eine Verformung des Verbundmaterials bei hohen Temperaturen nicht eintreten. Zu diesem Zweck muß die Wärmefestigkeitstemperatur wenigstens 150 ºC betragen. Ein Kunstharz mit einer höheren Wärmefestigkeitstemperatur wird bevorzugt.
In dem Verbundmaterial nach der Erfindung muß die Menge der Fasern, die die Mehrschicht-Webware als Verstärkung bilden, 20 bis 70 Gew.% und die Menge des thermoplastischen Kunstharzes als Matrix muß 80 bis 20 Gew.% betragen. Namentlich, wenn der Anteil der Mehrschicht-Webware als Verstärker größer als 70 Gew.% ist und der Anteil des thermoplastischen Kunstharzes als Matrix kleiner als 30 Gew.% ist, ist es schwierig, die gesamte Webware mit dem thermoplastischen Kunstharz zu bedecken und, sogar wenn das textile Gewebe bedeckt ist, kann eine ausreichende Steifheit des gebildeten Verbundmaterials nicht gewährleistet werden, und daher ist es unmöglich, eine ausreichend hohe Druckfestigkeit und Scherfestigkeit zu erhalten. Wenn der Anteil der Mehrschicht-Webware kleiner als 20 Gew.% und der Anteil des thermoplastischen Kunstharzes 80 Gew.% übersteigt, kann ein Verbundmaterial gebildet werden, aber ein geeigneter Verstärkungs- bzw. Armierungseffekt kann durch die Fasern als Verstärker nicht erreicht werden, und eine genügend hohe Druckfestigkeit und Scherfestigkeit wird nicht erhalten. Zusätzlich neigt dieses Verbundmaterial dazu, unter dem Einfluß von Wärme verformt zu werden. Daher ist es notwendig, ein Verbundmaterial unter Verwendung einer Mehrschicht-Webware und eines thermoplastischen Kunstharzes in den oben angegebenen Grenzen zu verwenden. Wenn diese Forderung erfüllt wird, kann ein Verbundmaterial mit einer Honigwabenstruktur, das eine speziell ausgezeichnete mechanische Wirksamkeit hat, erhalten werden.
Aufgrund der oben genannten Konstruktionsmerkmale hat das Verbundmaterial nach der Erfindung eine hohe Zug- bzw. Zerreißfestigkeit und eine Druckfestigkeit in einem sehr breiten Temperaturbereich, und selbst unter wiederholter Anwendung von mechanischer Belastung wird das Verbundmaterial nicht gebrochen und zeigt eine sehr hohe Schlagfestigkeit.
Als das thermoplastische Kunstharz zum Herstellen des Verbundmaterials nach der Erfindung können angegeben werden z.B.
a) aromatische Polyamid-Imide, repräsentiert durch die folgende Formel:
b) aromatische Polyether-Imide, repräsentiert durch die folgende allgemeine Formel:
c) aromatische Polyester, repräsentiert durch die folgende allgemeine Formel:
d) Polyether-Sulfone, repräsentiert durch die folgende allgemeine Formel:
(Ar&sub1;-SO&sub2;-Ar&sub2;-O)
3) Polyether-Ether-Ketone, repräsentiert durch die folgende allgemeine Formel:
(Ar&sub1;- -Ar&sub2;-O-Ar&sub3;-O)
f) Poly-p-Phenylen-Sulfide, repräsentiert durch die folgende allgemeine Formel:
(Ar&sub1;-S)
und
g) Poly-p-Phenylenoxide, repräsentiert durch die folgende allgemeine Formel:
(Ar&sub1;-O)
und in den vorhergehenden allgemeinen Formel a) bis g) stehen Ar&sub1; , Ar&sub2; und Ar&sub3;, die gleich oder verschieden sein können, für einen substituierten oder unsubstituierten zweiwertigen aromatischen Rest repräsentiert durch
in welchem X ist -O-, -SO&sub2;-, -CH&sub2;- oder -C(CH&sub3;)&sub2;-.
Unter diesen thermoplastischen Kunstharzen, werden aromatische Poly-Ether-Imide, aromatische Polyester, Polyether- Sulfone und Polyether-Ether-Ketone repräsentiert durch die Formeln b) bis e), wo jedes von Ar&sub1;, Ar&sub2; und Ar&sub3; für eine p-Phenylen-Gruppe steht, speziell bevorzugt zum Herstellen des Verbundmaterials nach der Erfindung, weil sie thermoplastische Polymere sind, die eine hohe Verformungstemperatur haben und schmelz-formbar sind. In dem Verbundmaterial nach der Erfindung wird die oben genannte Mehrschicht-Webware nach der Erfindung als Verstärker bzw. Armierung verwendet, und, um die mechanischen Kenndaten der konstituierenden Fasern der Mehrschicht-Webware, die integral konstruiert ist, genügend auszunutzen, wird es bevorzugt, ein Kunstharz als Matrixharz mit einer relativ hohen Dehnung zu verwenden. Auch unter diesem Gesichtspunkt werden die vorgenannten Polymere speziell bevorzugt benutzt zum Herstellen des Verbundmaterials nach der vorliegenden Erfindung.
Für das Verbundmaterial nach der Erfindung können die vorgenannten Polymere einzeln oder in der Form von Mischungen von zwei oder mehreren davon verwendet werden. Wenn gewünscht, kann ein Verfahren angewendet werden, in dem ein Verbundmaterial zunächst unter Verwendung eines Polymers gebildet wird, und bei dem das Verbundmaterial dann mit einem anderen Polymer behandelt wird, um ein Verbundmaterial zu bilden, das eine Mehrzahl von Kunstharzschichten besitzt.
Vorzugsweise beträgt die scheinbare Dichte des erfindungsgemäßen Verbundmaterials 0,03 bis 0,2 g/cm³ . Die Dichte ändert sich mit der Zellengröße der expandierten Mehrschicht-Webware, dem Expansionsgrad und der Menge des Matrixharzes. Wenn die scheinbare Dichte unter 0,03 g/cm³ liegt, ist eine ausreichend hohe Druckfestigkeit schwer zu erreichen, und wenn die Zellengröße in diesem Fall groß ist, wird die Schlagfestigkeit verschlechtert. Andererseits, wenn die scheinbare Dichte mehr als 0,2 g/cm³ beträgt, können die mechanischen Kenndaten des Verbundmaterials befriedigend erhöht werden, aber der gewichtsvermindernde Effekt wird reduziert. Aus diesen Gründen beträgt die scheinbare Dichte des Verbundmaterials nach der Erfindung vorzugsweise 0,03 bis 0,2 g/cm³, insbesondere 0,03 bis 0,18 g/cm³, vorzugsweise insbesondere 0,04 bis 0,15 g/cm.
Nach der Erfindung können, wenn die vorgenannte bevorzugte Mehrschicht-Webware verwendet wird, besonders ausgezeichnete Effekte in dem gebildeten Verbundmaterial erreicht werden. Beispielsweise hat ein Verbundmaterial, in welchem die die Mehrschicht-Webware bildenden Kettfäden aufgebaut sind aus aromatischen Polyamid-Fasern und/oder Polybenzoxazol- oder Polybenzothiazol-Fasern mit einer Zug- bzw. Zerreißfestigkeit von wenigstenn 15,9 cN/dtex (18 g/d) und einem Anfangs- Modul von wenigstens 264,6 cN/dtex (300 g/d), die Schußfäden zusammengesetzt sind aus Kohlenstoff-Fasern oder Glas- Fasern und das Matrixharz wenigstens ein Glied aus der Gruppe bildet, die aus den oben genannten Polyether-Sulfonen d), Polyether-Ether-Ketonen e) und aromatischen Polyamid- Imiden b) besteht, eine ausgezeichnete mechanische Wirksamkeit und Wärmewiderstandsfähigkeit und ist sehr wertvoll als Bau verbundwerkstoff.
Das Verfahren zum Herstellen des Verbundmaterials nach der Erfindung ist nicht besonders kritisch, und viele üblich angewendete Mittel zum Herstellen von Verbundmaterialien können übernommen werden. Zum Beispiel kann ein Verfahren übernommen werden, in dem die expandierte Mehrschicht-Textilwebware im expandierten Zustand in eine Harzlösung getaucht wird, um die Webware ausreichend mit dem Kunstharz zu imprägnieren, die Webware wird aus dem Tauchbad genommen, die Lösung wird durch Verdampfen oder Extraktion mit einem anderen Lösungsmittel entfernt, und das gebildete Verbundmaterial wird gewaschen und getrocknet; ein Verfahren, in dem die expandierte Mehrschicht-Webware in eine Schmelze des Kunstharzes getaucht wird; und ein Verfahren, in dem die expandierte Mehrschicht-Webware mit Hilfe einer Bürste oder dergleichen mit einer flüssigen Harzlösung bestrichen wird.
Additive, wie ein Ultraviolet-Absorber, ein Antioxidant, ein Fotostabilisator und ein Wasserabweiser, können dem erfindungsgemäßen Verbundmaterial einverleibt werden, insoweit das beabsichtigte Ziel der vorliegenden Erfindung erreicht wird.
Die vorliegende Erfindung wird nun im einzelnen unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele beschrieben. In den Beispielen bedeuten alle "%" Gewichtsprozent, wenn nichts anderes angegeben wird, und die Kenndaten der Mehrschicht-Webware und des Verbundmaterials nach der Erfindung werden nach den folgenden Verfahren bestimmt.

Zellgröße:

Die Mehrschicht-Webware wurde so expandiert, daß die Zellen eine gleichseitige vier- oder sechseckige Form erhielten, und die Länge zwischen den gegenüberliegenden Schichtwänden jeder Zelle wurde gemessen als die Zellgröße.

Mechanische Kenndaten des Verbundmaterials:

Die Druckfestigkeit, der Druck-Elastizitäts-Modul, die Scherfestigkeit und der Scher-Elastizitäts-Modul werden gemessen nach MIL-STD-401B.

Beispiele 1 bis 24

Mehrschicht-Webware mit strukturellen Einheiten nach Fig. 3 wurde hergestellt unter Verwendung eines Greiferstuhls mit 32 Dobbies.
In der in Fig. 3 gezeigten Baueinheit hatte jede der gewebten Schichten 11, 12, 13 und 14, die eine Grundbindung bzw. Leinwandbindung aufwiesen, kontinuierliche Verbindungsbereiche in den Teilen A und C für jeden der vier Teile B. Im Teil A waren die Kettfäden der zweiten und dritten Gewebeschicht 12 und 13 verwebt mit drei durch Grundbindungstextur kontinuierlich eingebrachten Verbindungsschüsse 30a, 30b und 30c, um einen mittleren Verbindungsbereich zu bilden. Dieser mittlere Verbindungsbereich bildete eine unabhängige einzelne Gewebeschicht. Folglich hatte Teil A eine Drei-Schicht-Struktur mit der ersten Gewebeschicht 11, der mittleren Verbindungsbereichs-Schicht und der vierten Gewebeschicht 14. Im Teil C waren die Kettfäden der ersten und zweiten Gewebeschicht 11 und 12 durch Grundbindungstextur verwebt mit drei kontinuierlich eingebrachten Verbindungsschüssen 31a, 31b und 31c, um einen oberen Verbindungsbereich zu bilden, und die Kettfäden der dritten und vierten Gewebeschicht 13 und 14 waren durch Grundbindungstexturen verwebt mit drei kontinuierlich eingebrachten Verbindungsschüssen 32a, 32b und 32c, um einen unteren Verbindungsbereich zu bilden. Folglich wurde im Teil C eine Zwei-Schicht- Struktur mit den oberen und unteren Verbindungsbereichen gebildet. Wenn das so konstruierte Mehrschicht-Webware entwickelt wurde, entstand ein dreidimensionales Gewebe mit einer Honigwabenstruktur.
Mit Bezug auf jedes der so erhaltenen Mehrschicht-Gewebe werden die benutzten Faserarten, die Webdichten und andere Kenndaten in Tabelle 1 gezeigt.
Wie in Tabelle 1 dargestellt, wurden in den Beispielen 1 bis 4 nach der Erfindung Aramid-Multifilament-Garne von 422,2 dtex (380 d) (Kevlar 49.T-968, Du Pont) als Kettfäden benutzt, und 6.500 Kettfäden wurden durch 32 Litzen angeordnet, so daß die Kettdichte 325 Kettfäden pro Zoll betrug und 16 Schichten gebildet wurden. Als Kettfäden wurden in den Beispielen 1 und 2 dieselben Aramid-Multifilament-Garne mit 422,2 dtex (380 d) wie bei den Kettfäden, Glasfilament-Garne 68 Tex (Filament-Durchmesser von 9 µm, E-Typ, Nippon Fiber Glass) im Beispiel 3, und im Beispiel 4 Aramid-Multifilament-Garne von 1.140 d (Kevlar 49.T-968, Du Pont) eingesetzt. Die Kettvorschubgeschwindigkeit wurde so eingestellt, daß die Schußdichte 325 oder 244 Schüsse pro Zoll betrug, die Schüsse wurden eingebracht, während das Aufwickeln intermittierend synchron mit der Bewegung der Webbindung angehalten wurde. Auf diese Weise wurde der Webvorgang ausgeführt.
Im Beispiel 5 wurden Aramid-Multifilament-Garne von 422,2 dtex (380 d) als Kettfäden benutzt und Garne mit 3.000 Kohlefaser-Filamenten (Asahi Nippon Carbon) wurden als Schußfäden verwendet, das Webverfahren wurde auf dieselbe Weise wie oben beschrieben ausgeführt.
In den Beispielen 6 bis 24 von Tabelle 1 wurden Mehrschicht- Gewebe gebildet, in denen als Kettfäden Aramid-Multifilament-Garne (Kevlar 49.T-968, Du Pont) benutzt wurden, und für die Schußfäden wurden dieselben Aramid-Multifilament-Garne wie bei den Kettfäden, Glas-Filament-Garne (Nippon Fiber Glass) oder Kohlenstoff-Fasergarne (Asahi Nippon Carbon) verwendet.
In jedem der Mehrschicht-Webwarestücke nach diesen Beispielen war die Zellform stabil, und jedes Mehrschicht-Webwarenstück hatte eine Honigwabenstruktur mit hexagonalen Zellen, und wenn die Webware expandiert wurde, entstanden gleichseitige hexagonale Zellen. Zum Vergleich, wenn eine ähnliche Mehrschicht-Webware bestehend aus Nylon-66-Multifilament-Garnen (siehe Vergleichsbeispiel 1) expandiert wurde, wurden die Zellen im inneren Bereich verformt, obwohl die Zellen des durch die Expansion erfaßten peripheren Bereichs eine gleichseitige hexagonale Form hatten. Wenn die Expansionskraft vergrößert wurde, um diese Verformung zu korrigieren, wurde die Form der Zellen des peripheren Bereichs deformiert, daher wurde bestätigt, daß es sehr schwierig war, die Expansion so auszuführen, daß gleiche regelmäßige Zellformen gebildet wurden. Namentlich wurde festgestellt, daß die Mehrschicht-Webware nach der vorliegenden Erfindung eine ausgezeichnete Stabilität und Gleichmäßigkeit der Zellformen hatte. Es wird vermutet, daß dieser Effekt von dem hohen Anfangs-Modul der Fasern, die das Gewebe bilden, herrührt.

Vergleichsbeispiel 1

Unter Verwendung von Nylon-66-Multifilament-Garnen mit 1.399 dtex (1.260 d) (Asahi Kasei Kogyo) (Anfangs-Modul von 48 g/d, 42,34 cN/dtex) als Kett- und Schußfäden wurde eine Zwölf-Schicht-Webware auf dieselbe Weise wie in Fig. 4 vorbereitet, das eine Kettdichte von 305 Kettfäden pro Zoll, eine Schußdichte von 183 Schußfäden pro Zoll und eine hexagonale Zellform von ½ Zoll besaß. Die Kenndaten der Mehrschicht-Webware werden in Tabelle 1 gezeigt. Wenn die Webware expandiert wurde, ergab sich, daß die Gleichmäßigkeit und Stabilität der Zellformen der Webware schlechter waren als jene, die in den Beispielen 1 bis 24 erhalten werden. Tabelle 1 Bewertung 2) Beispiel Nr. Kette 1) Schuß 1) Kettdichte (Garne/cm) Schußdichte (Garne/cm) Bindung Zellgröße (cm) Stoffdicke (mm) Gewicht (g/m²) Scheinbare spezifische Schwere Zellform Gewebequalität Hexagonal, 16 Schichten Hexagonal, 12 Schichten Hexagonal, 6 Schichten Tabelle 1 (Fortsetzung) Bewertung 2) Beispiel Nr. Kette 1) Schuß 1) Kettdichte (Garne/cm) Schußdichte (Garne/cm) Bindung Zellgröße (cm) Stoffdicke (mm) Gewicht (g/m²) Scheinbare spezifische Schwere Zellform Gewebequalität Vergleichsbeispiel Hexagonal, 6 Schichten Hexagonal, 16 Schichten Hexagonal, 12 Schichten

Anmerkung 1)

AF: Aramid-Multifilament-Garn (Kevlar 49.T-968) (der Zahlenwert zeigt den Garn-Denier an)
EGF: Glas-Filamentgarn (Nippon Fiber Glass) (der Zahlenwert zeigt den Garn-Denier an)
CF: Kohlenstoff-Faser (Asahi Nippon Carbon) (der Zahlenwert zeigt die Filament-Nummer des Garns an)
Si: Kieselerde-Tonerde-Faser
N66: Nylon-66-Multifilament-Garn (Asahi Kasei Kogyo) (der Zahlenwert zeigt den Garn-Denier an)

2)

Zellform A: ausgezeichnet, B: gut, C: befriedigend
Webeigenschaft A: ausgezeichnet, B: gut, C: befriedigend

Beispiel 25

Dieses Beispiel beschreibt das Verbundmaterial nach der vorliegenden Erfindung.
Die Mehrschicht-Webware bestehend aus Aramid-Multifilament- Garnen als Kett- und Schußfäden, welches hexagonale Zellen mit einer Zellgröße von ½-Zoll aufweist, die nach Beispiel 14 erhalten wurde und eine Breite von 700 mm sowie eine Länge von 1.500 mm besaß, wurde benutzt.
Rostfreie Stahlstäbe wurden eingesetzt in Zellen des peripheren Bereichs der Mehrschicht-Webware, und die Webware wurde expandiert durch Ziehen der rostfreien Stahlstäbe, so daß Zellen mit einer gleichseitigen hexagonalen Form gebildet wurden. Die Webware wurde in dem expandierten Zustand in eine Lösung getaucht, die 40 % Polyethersulfon (Victrex 4100P Sumitomo Kagaku) in N-Methyl-2-Pyrrolidon enthielt. Um die Webware ausreichend mit dem Harz zu imprägnieren, wurde das Tauchbad verschlossen und mit einer Vakuum-Pumpe evakuiert, so daß der Druck kleiner als 10 Torr war. Die Tauchlösung wurde auf Zimmertemperatur gehalten. Die Imprägnier-Behandlung wurde etwa 2 Stunden lang fortgeführt, und die imprägnierte Mehrschicht-Webware wurde im expandierten Zustand aus dem Tauchbad genommen, und tropfende Flüssigkeit wurde entfernt. Dann wurde die Webware für 3 Stunden in einem Heißlufttrocknungsofen bei 150 ºC gehalten, um die Lösung durch Verdampfen zu entfernen. Die Temperatur in dem Ofen wurde auf 180 ºC erhöht und die Verdampfungstrocknung wurde für 2 Stunden ausgeführt. Das gebildete, mit der Verdampfung des Lösungsmittels verfestigte Verbundmaterial wurde aus dem Ofen genommen. Das Verbundmaterial wurde gekühlt und mit Hilfe einer Diamant-Bandsäge zersägt, um ein Verbundmaterial mit einer Breite von 600 mm, einer Länge von 1.200 mm und einer Dicke von 39,5 mm zu erhalten.
Das hergestellte Verbundmaterial enthielt 55 % der Faser und 45 % des Polyethersulfons. Die physikalischen Eigenschaften werden in Tabelle 2 gezeigt. Es wurde festgestellt, daß das hergestellte Verbundmaterial betreffend Druck- und Scherkenndaten herkömmlichem Material mit Honigwabenstruktur überlegen war.

Vergleichsbeispiel 2

Eine Honigwaben-Mehrschichtstruktur wurde in derselben Weise, wie das in Beispiel 25 beschrieben wird, vorbereitet durch Behandlung des Mehrschicht-Struktur-Gewebes aus Nylon-66-Multifilament-Garnen nach Vergleichsbeispiel 1. Die Zellen im peripheren Bereich des erhaltenen Verbundmaterials hatten eine gleichseitige hexagonale Form, aber die Zellen im inneren Bereich hatten eine verbogene ellipsoidale Form. Die mechanischen Kenndaten des erhaltenen Verbundmaterials werden in Tabelle 2 gezeigt. Das Verbundmaterial war dem Verbunmdmaterial nach der Erfindung in allen Eigenschaften unterlegen.

Beispiel 26

Ein Verbundmaterial wurde in derselben Weise wie im Beispiel 25 vorbereitet, jedoch mit der Ausnahme, daß die Menge des Polyethersulfons verändert wurde. Die Menge des Polyethersulfons wurde eingestellt durch Veränderung der Konzentration des N-Methyl-2-Pyrrolidon gelösten Polyethersulfons. Andere Bedingungen waren dieselben wie bei Beispiel 25. Die physikalischen Eigenschaften des erhaltenen Verbundmaterials werden in Tabelle 2 gezeigt.
Aus den Ergebnissen nach Tabelle 2 wurde bestätigt, daß, wenn die Menge des Polyethersulfons als Matrix kleiner als 30 Gew.% war, konnten befriedigende mechanische Eigenschaften nicht erhalten werden. Tabelle 2 Kenndaten des Verbundmaterials Zusammensetzung des Verbund-Materials (Gew.%) Bemerkungen Beispiel Nr. Mehrschicht-Webware Polyethersulfon Scheinbare dichte (gcm³) Druckfestigkeit (MPa (kg/cm²) Druckelastizitäts-Modul MPa (kg/cm²) Scherfestigkeit in L-Richtung (kg/cm²) Scherelastizitätsmodul in L-Richtung MPa (kg/cm²) Vergleichsbeispiel 2 Referenz außerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung

Beispiel 27

Eine Mehrschicht-Webware und ein Verbundmaterial wurden vorbereitet in derselben Weise wie in Beispiel 25 beschrieben, jedoch mit der Ausnahme, daß ein Polyetherimid-Harz (Ultem 1000, General Electric) anstelle des Polyethersulfons nach Beispiel 25 benutzt wurde.
Die Kenndaten des erhaltenen Verbundmaterials werden unten gezeigt.
Mehrschicht-Webware (Gew.%)/Polyetherimid-Harz(Gew.%) = 60/40
Scheinbare Dichte = 0,092
Druckfestigkeit (MPa, kg/cm² )/Druckelastizitäts-Modul (MPa, kg/cm²) = 5,38/314,1 (54,9/3.200)
Scherfestigkeit (MPa, kg/cm²) in L-Richtung/Scherelastizitäts-Modul (MPa, kg/cm²) in L-Richtung = 3,14/344,0 (32/3.510)
Scherfestigkeit (MPa, kg/cm²) in W-Richtung/Scherelastizitäts-Modul (MPa, kg/cm²) in W-Richtung = 2,4/280 (24,5/2.860)

Beispiel 28

Unter Verwendung von Multifilament-Garnen mit 444 dtex (400 d) bestehend aus Polybenzoxazol als Kett- und Schußfäden wurde eine Mehrschicht-Webware vorbereitet durch Einrichten von 324 Kettfäden mit 16 Litzen wie im Beispiel 1, so daß die Kettdichte 325 Garne pro Zoll betrug und eine Acht-Schicht-Struktur gebildet wurde, und Einbringen der Schußfäden wie im Beispiel 1, so daß die Schußdichte 325 Garne pro Zoll war. Die erhaltene Mehrschicht-Webware hatte hexagonale Zellen mit einer Zellgröße von 1/8 Zoll, und die Dicke der Webware im expandierten Zustand war 12,9 mm.
Die Mehrschicht-Webware wurde auf dieselbe Weise behandelt wie in Beispiel 25, um ein Verbundmaterial mit 50 % Polyethersulfon zu erhalten. Die Kenndaten des erhaltenen Verbundmaterials werden unten gezeigt, und es wurde festgestellt, daß das Verbundmaterial ausgezeichnete Kenndaten hatte.
Scheinbare Dichte = 0,089
Druckfestigkeit (kg/cm²)/Druckelastizitäts-Modul (MPa, kg/cm²) = 6,12/455,7 (62,5/4.650)
Scherfestigkeit (MPa, kg/cm²) in L-Richtung/Scherelastizitäts-Modul (MPa kg/cm²) in L-Richtung = 363/385,1 (37/3.930)
Scherfestigkeit (MPa, kg/cm²) in W-Richtung/Scherelastizitäts-Modul (MPa, kg/cm²) in W-Richtung = 2,65/298,9 (27/3.050)
Wenn die Mehrschicht-Webware nach der vorliegenden Erfindung, das die oben genannte Struktur hat, ausgedehnt wird, dann wird eine Honigwabenstruktur gebildet, und diese Mehrschicht-Webware ist gekennzeichnet dadurch, daß die jeweiligen Gewebeschichten durch einwebende Kett- oder Schußfäden von benachbarten Gewebeschichten mit gemeinsamen Schuß- oder Kettfäden integriert werden. Daher wird eine interlaminare Trennung nicht verursacht und, obwohl ein hoher gewichtsvermindernder Effekt erreicht wird, sind die Zug- bzw. Zerreißfestigkeit und die Scherfestigkeit zwischen benachbarten Schichten sehr hoch. Weiterhin ist die Struktur stabil, und die Wärmewiderstandsfähigkeit ist ausgezeichnet. Demgemäß ist die Mehrschicht-Webware nach der vorliegenden Erfindung mehr geeignet als verstärkende Webware zum Herstellen eines Verbundmaterials, das solche ausgezeichneten Kenndaten hat.
Das Verbundmaterial nach der vorliegenden Erfindung, der diese Mehrschicht-Webware und ein spezielles Kunstharz enthält, hat ein geringes Gewicht und zeigt eine hohe Zug- und Zerreißfestigkeit sowie Druckfestigkeit in einem breiten Temperaturbereich, und selbst wenn eine Belastung wiederholt auf das Verbundmaterial zur Einwirkung gebracht wird, zerbricht das Verbundmaterial nicht und der Schlagwiderstand ist sehr hoch. Als Folge dieser charakteristischen Eigenschaften ist das Verbundmaterial nach der Erfindung sehr wertvoll als Baustoff für ein Flugzeug.

Claims

1. Gewebe mit Mehrschichtstruktur, welches in Richtung seiner Dicke zu einem Bienenwabenaufbau mit einer Vielzahl von Zellen, die eine Form von im ganzen Gewebe gebildeten Vierecken oder Sechsecken haben, expandiert werden kann, und welches eine Mehrzahl von Gewebeschichten (11, 12, 13, 14) enthält, die partiell miteinander verbunden sind durch Verbindungsteile (A, C), welche gebildet werden durch miteinander verwebte Kett- oder Schußfäden der einen von aneinander angrenzenden Gewebeschichten (11, 12, 13) oder einiger der Kett- oder Schußfäden einer Gewebeschicht (11, 12, 13) und Kett- oder Schußfäden einer anderen angrenzenden Gewebeschicht (12, 13, 14) oder einiger der Kett- oder Schußfäden einer anderen angrenzenden Gewebeschicht (12, 13, 14) mit gemeinsamen Schußfäden (30a, 30b, 30c, 31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c) oder Kettfäden, worin ein Satz von aneinander angrenzenden vier Gewebeschichten (11, 12, 13, 14) wiederkehrende Baueinheiten umfaßt, die enthalten einen einen Verbindungsbereich aufweisenden Teil (A), der durch zwei mittlere Gewebe (12, 13) gebildet wird, einen ersten nicht verbindenden Teil (B) ohne Verbindungsbereich, einen zwei Verbindungsbereiche aufweisenden Teil (C), in welchem jeder Verbindungsbereich jeweils durch zwei einander benachbarte Gewebeschichten (11, 12; 13, 14) gebildet wird, und einen zweiten nicht verbundenen Teil (B) ohne Verbindungsbereiche, und worin 40 bis 100 Gew.% der das Gewebe (11, 12, 13, 14) bildenden Fasern unschmelzbare oder einen Schmelzpunkt von wenigstens 300 ºC aufweisende und einen Anfangs-Modul von wenigstens von 220,5 cN/dtex (250 g/d) besitzende organische Fasern und 0 bis 60 Gew.% der das Gewebe bildenden Fasern anorganische Fasern oder Metallfasern sind.

2. Gewebe mit einer Mehrschichtstruktur nach Anspruch 1, in welchem das Verhältnis der Dichte des expandierten Mehrschichtgewebes zur Dichte des Mehrschichtsgewebes vor der Expansion in der Größenordnung von 0,05 bis 0,3 liegt, wobei die Dichte des expandierten Mehrschichtgewebes eine scheinbare Dichte ist, die aus dem Volumen und Gewicht bestimmt wird, daß gemessen wird, wenn das Mehrschichtgewebe normal expandiert ist, so daß die inneren Winkel jeder tetragonalen oder hexagonalen Zelle gleich sind.

3. Gewebe mit einer Mehrschichtstruktur nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Summe des Cover-Faktors kw in der Kettrichtung und des Cover-Faktors kf in der Schußrichtung, die durch die nachfolgenden Formeln repräsentiert werden, wenigstens 300 beträgt, und die Summe des Cover-Faktors Kw in der Kettrichtung und des Cover-Faktors Kf in der Schußrichtung, die durch die nachfolgenden Formeln repräsentiert werden, wenigstens 3.000 beträgt:

kw = dw d/

kf = df d/

Kw = Dw d/ und

Kf = Df d/

wobei kw und kf für die Cover-Faktoren jeder das Mehrschichtgewebe bildenden Schicht in Kettrichtung bzw. Schußrichtung stehen, Kw und Kf für die Cover-Faktoren des gesamten Mehrschichtgewebes in der Kettrichtung bzw. Schußrichtung stehen; dw und df für die Kett- und Schußdichten jeder Schicht, ausgedrückt durch die Zahl der Kett- bzw. Schußfäden pro Zoll stehen; Dw und Df für die totalen Kett- und Schußdichten des gesamten Mehrschichtgewebes, ausgedrückt durch die Zahl der Kettfäden bzw. Schußfäden pro Zoll stehen, d für die Feinheit (Denier) der Kett- oder Schußfäden steht; und für die Dichte (g/cm³) der Fasern steht.

4. Gewebe mit einer Mehrschichtstruktur nach jedem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem die das Gewebe bildenden Kettfäden aus organischen Fasern zusammengesetzt sind.

5. Gewebe mit einer Mehrschichtstruktur nach jedem der Ansprüche 1 bis 4, in welchem die organischen Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus aromatischen Polyamid-Fasern, Polybenzoxazol-Fasern und Polybenzothiazol-Fasern, welche eine Zugfestigkeit von wenigstens 15,9 cN/dtex (18 g/d) und einen Anfangs-Modul von wenigstens 246,6 cN/dtex (300 g/d) besitzen.

6. Gewebe mit einer Mehrschichtstruktur nach jedem der Ansprüche 1 bis 5, in welchem die anorganischen Fasern ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Graphitfasern und Glasfasern.

7. Gewebe mit einer Mehrschichtstruktur nach Anspruch 1 bis 6, in welchem die Schußfäden aus Graphitfasern oder Glasfasern bestehen.

8. Verbundmaterial mit Bienenwabenstruktur, welches als Matrix ein thermoplastisches Harz und als Bewehrung ein expandiertes Gewebe mit Mehrschichtstruktur aufweist, wobei das Gewebe eine Bienenwabenform von zwischen den gesamten Gewebeschichten gebildeten Vierecken und sechsecken besitzt, wenn das Mehrschichtgewebe in Richtung seiner Dicke expandiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das thermoplastische Harz eine Wärmebeständigkeitstemperatur von wenigstens 150 ºC besitzt, die Menge der das Mehrschichtgewebe bildenden Fasern 20 bis 70 Gew.% beträgt und die Menge des die Matrix bildenden Harzes 80 bis 30 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des Verbundmaterials, beträgt, wobei das Mehrschichtgewebe eine Mehrzahl von Gewebeschichten (11, 12, 13, 14) enthält, die partiell miteinander verbunden sind durch Verbindungsteile (A, C), welche gebildet werden durch miteinander verwebte Kett- oder Schußfäden der einen von aneinander angrenzenden Gewebeschichten (11, 12, 13) oder einiger der Kett- oder Schußfäden einer Gewebeschicht (11, 12, 13) und Kett- oder Schußfäden einer anderen angrenzenden Gewebeschicht (12, 13, 14) oder einiger der Kett- oder Schußfäden einer anderen angrenzenden Gewebeschicht (12, 13, 14) mit gemeinsamen Schußfäden (30a, 30b, 30c, 31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c) oder Kettfäden, worin ein Satz von aneinander angrenzenden vier Gewebeschichten (11, 12, 13, 14) wiederkehrende Baueinheiten umfaßt, die enthalten einen einen Verbindungsbereich aufweisenden Teil (A), der durch zwei mittlere Gewebe (12, 13) gebildet wird, einen ersten nicht verbundenen Teil (B) ohne Verbindungsbereich, einen zwei Verbindungsbereiche aufweisenden Teil (C), in welchem jeder Verbindungsbereich jeweils durch zwei einander benachbarte Gewebeschichten (11, 12, 13, 14) gebildet wird, und einen zweiten nicht verbundenen Teil (B) ohne Verbindungsbereich; das Bienenwabenprofil kann eine Kombination von Vierecken und Sechsecken umfassen, und daß 40 bis 100 Gew.% der das Gewebe bildenden Fasern unschmelzbare oder einen Schmelzpunkt von wenigstens 300 ºC aufweisende und einen Anfangs- Modul von wenigstens 220,5 cN/dtex (250 g/d) besitzende organische Fasern und 0 bis 60 Gew.% der das Gewebe bildenden Fasern anorganische Fasern oder Metallfasern sind.

9. Verbundmaterial nach Anspruch 8, in welchem das die Matrix bildende Harz wenigstens ein Polymer aus der nachfolgenden Gruppe ist:

a) Aromatische Polyamid-Imide dargestellt durch die folgende allgemeine Formel:

b) Aromatische Polyether-Imide dargestellt durch die folgende allgemeine Formel:

c) Aromatische Polyester dargestellt durch die folgende allgemeine Formel:

(O-Ar&sub1;- ) und/oder

(O-Ar&sub1;-O- -Ar&sub2;- )

d) Polyether-Sulfone dargestellt durch die folgende allgemeine Formel:

(Ar&sub1;-SO&sub2;-Ar&sub2;-O)

e) Polyether-Ether-Ketone dargestellt durch die folgende allgemeine Formel:

(Ar&sub1;- -Ar&sub2;-O-Ar&sub3;-O)

f) Poly-p-Phenylensulfide dargestellt durch die folgende allgemeine Formel:

(Ar&sub1;-S)

und

g) Poly-P-Phenylenoxide dargestellt durch die folgende allgemeine Formel:

(Ar&sub1;-O)

und in den vorstehenden allgemeinen Formeln a) bis g) stehen Ar&sub1;, Ar&sub2; und Ar&sub3;, die gleich oder unterschiedlich sein können, für einen substituierten oder unsubstituierten bivalenten aromatischen Rest der repräsentiert wird durch

worin X bedeutet -O-, -SO&sub2;-. -CH&sub2;- oder -C(CH&sub3;)&sub2; - .

10. Verbundmaterial nach Anspruch 8, in welchem die scheinbare Dichte des Verbundmaterials 0,03 bis 0,2 g/cm³ beträgt.

11. Verbundmaterial nach Anspruch 8 oder 9, in welchem die das Mehrschichtgewebe darstellenden Kettfäden ausgewählt sind aus Fasern der Gruppe bestehend aus aromatischen Polyamid-Fasern, Polybenzoxalzol-Fasern und Polybenzothiazol-Fasern, welche eine Zugfestigkeit von wenigstens 15,9 cN/dtex (18 g/d) und einen Anfangs-Modul von wenigstens 264,6 cN/dtex (300 g/d) besitzen, die das Mehrschichtgewebe darstellenden Schußfäden aus Graphitfasern oder Glasfasern zusammengesetzt sind und das Matrix-Harz wenigstens ein Mitglied aus der Gruppe bestehend aus d) den Polyether-Sulfonen, e) den Polyether-Ether-Ketonen und b) den Polyether-Imiden.