DE69714221T2

DE69714221T2 - Verfahren zur herstellung von teilen, insbesondere von bremsscheiben, aus kohlenstoff-kohlenstoff-verbundwerkstoff

Info

Publication number: DE69714221T2
Application number: DE69714221T
Authority: DE
Inventors: Renaud Duval; Eric Lherm
Original assignee: Messier Bugatti SA
Current assignee: Safran Landing Systems SAS
Priority date: 1996-12-17
Filing date: 1997-12-17
Publication date: 2003-03-13
Anticipated expiration: 2017-12-18
Also published as: FR2757153A1; KR100413917B1; ATE221035T1; KR19990082610A; EP0886627A1; FR2757153B1; EP0886627B1; US6183583B1; RU2211820C2; CA2243153C; DE69714221D1; WO1998027026A1; CA2243153A1; JP2001502288A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Fertigung von Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffsteilen, insbesondere die Fertigung von Bremsscheiben.

Hintergrund der Erfindung

Werkstücke aus C-C-Verbundwerkstoff werden dadurch hergestellt, dass man einen Faservorformling mit einer Gestalt ähnlich derjenigen des zu fertigenden Werkstücks herstellt und den Vorformling verdichtet durch Einbringen einer Matrix in die Poren des Vorformlings.
Der Vorformling wird aus einem Grundfaserstoff hergestellt, beispielsweise durch Wickeln eines Grundstoffbandes zu übereinanderliegenden Lagen oder durch Stapeln oder Schichten von Grundstofflagen. Der Fasergrundstoff ist beispielsweise ein Filz, ein Webstoff, ein Strickstoff, ein unidirektionales Flachstück aus Fäden, Seilen oder Strängen, oder auch ein mehrlagiger Stoff, gebildet durch mehrere unidirektionale, in unterschiedlichen Richtungen übereinandergelegte Flachstücke, die untereinander durch schwache Nadelung verbunden sind.
Die GB-A-1 447 029 beschreibt die Herstellung eines solchen mehrlagigen Grundfaserstoffs. Die unterschiedlichen genadelten Lagen können mit einem thermoplastischen Harz imprägniert und komprimiert werden, um einen verfe stigten Faserstoff zu erhalten, der anschließend verwendbar ist zur Herstellung von Verbundwerkstoffen.
Das Verdichten des Vorformlings durch eine Kohlenstoffmatrix lässt sich durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase und/oder mittels Flüssigkeit erreichen. Das chemische Infiltrieren aus der Dampfphase beinhaltet, dass der Vorformling in eine Umschließung eingebracht wird, in die eine Gasphase eingeleitet wird, welche einen oder mehrere gasförmige Kohlenstoff-Vorläufermaterialien enthält. Diese sind typischerweise ausgewählt aus Alkanen, Alkylen und Alkenen, wobei die üblicherweise verwendeten Vorläufermaterialien Methan und/oder Propan sind. Die Temperatur- und Druckbedingungen innerhalb der Umschließung sind vorab so festgelegt, dass sich die Gasphase in den Poren des Vorformlings durch Diffusion ausbreiten und eine pyrolytische Kohlenstoffablagerung auf den Fasern durch Zersetzung des oder der darin enthaltenen Kohlenstoff-Vorläufermaterialien bilden kann. Die Flüssigmethode besteht darin, den Vorformling mit einer Zusammensetzung zu imprägnieren, die ein Kohlenstoff-Vorläufermaterial im flüssigen Zustand enthält, beispielsweise Pech oder ein Harz mit einem von Null verschiedenen Koksanteil. Das Vorläufermaterial wird durch Wärmebehandlung unter Bildung von Koks transformiert. Dementsprechend beschreibt beispielsweise die WO-A-92/01648 ein Verfahren zum Fertigen von Bremsscheiben aus C-C, umfassend das Vereinen von Faserstofflagen mit einem polymerisierbaren Kohlenstoff-Vorläufermaterial und das Durchführen einer Wärmebehandlung, zumindest in einer ersten Phase ohne Druck, um den Vorformling zu verfestigen und das Vorläufermaterial zu transformieren, damit das gewünschte C-C-Material erhalten wird.
Um einen Zusammenhalt des Vorformlings ebenso zu garantieren wie eine Beständigkeit des fertigen Werkstücks gegen Aufblättern, ist es in jedem Fall wünschenswert, die Lagen oder Schichten, die das Teil bilden, untereinander zu verbinden. Diese Bindung wird in vorteilhafter Weise durch Nadelung erreicht, wie es in der US-A-4 790 052, der FR-A-2 626 294 und der FR-A-2 726 013 beschrieben ist.
Ein anderes in der WO-A-91/01397 beschriebenes Verfahren besteht darin, eine Faserstruktur zu bilden, beispielsweise durch Stapeln von Lagen, die Faserstruktur zu komprimieren, um einen Vorformling zu erhalten, dessen Gestalt derjenigen des fertigen Werkstücks ähnelt, und das Halten des Vorformlings in diesem komprimierten Zustand durch eine Reihe von Nadelungen, die beiderseits des Vorformlings über dessen gesamte Dicke ausgeführt werden, oder durch Vernähen mit einem den Vorformling durchsetzenden Faden.
Ein noch weiteres Verfahren, welches in der FR-A-2 619 104 beschrieben ist, besteht in dem Durchführen einer dreidimensionalen Imprägnierung durch Übereinanderlegen und Nadeln von Faserstofflagen, die mit einer Zusammensetzung imprägniert sind, welche ein Kohlenstoff-Vorläuferharz enthält. Das dreidimensionale vorimprägnierte Werkstück wird anschließend unter Druck in Form gebracht, anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, um das Vorläufermaterial zu karbonisieren und einen Verbundwerkstoff mit einer Kohlenstoffmatrix zu erhalten.
Für die Fertigung von Bremsscheiben aus C-C-Verbundwerkstoff werden im allgemeinen ringförmige faserige Vorformlinge hergestellt, indem Grundfaserstofflagen genadelt werden, die einen Webstoff oder einen Komplex aus mehreren unidirektionalen Flachstücken aus Fäden, Seilen oder Strängen enthält, ggf. in Verbindung mit einem Faserband oder einem Filz. Die Lagen werden einzeln genadelt, um eine vorbestimmte Nadelungsdichte über die Dicke des Vorformlings zu erreichen. Das Verdichten der Vorformlinge erfolgt üblicherweise durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase, wobei die genadelten Vorformlinge eine ausreichende Festigkeit besitzen, um den Einsatz von Haltewerkzeugen zu erübrigen.
Auf diese Weise hergestellte Bremsscheiben werden für Scheibenbremsen bei Flugzeugen oder für Bremsen von Rennfahrzeugen der Formel I eingesetzt, wo sie in jeder Weise zufrieden stellen.
Bei anderen Anwendungen, so z. B. Bremsen von Eisenbahnwagens, Lastkraftwagen oder Personenkraftwagen, wo die Einsatzbedingungen häufig weniger gravierend sind, verliefen von der Anmelderin mit den gleichen Scheiben durchgeführte Tests nicht so zufrieden stellend. Insbesondere konnte man das Auftreten unerwünschter Vibrationen, von Unregelmäßigkeiten im Bremsmoment und in einigen Fällen sogar von einem übermäßigen, über den Erwartungen liegenden Verschleiß feststellen. Außerdem sind die Fertigungskosten erheblich und kaum verträglich mit dem allgemeinen Einsatz in Schienenfahrzeugen oder Lastkraftwagen oder Serien-Personenkraftfahrzeugen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Unzulänglichkeiten zu beseitigen. Zu diesem Zweck schafft die vorliegende Erfindung ganz allgemein ein Verfahren insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, zur Fertigung von Bremsscheiben, die für unterschiedliche Einsatzzwecke geeignet sind.
Insbesondere ist es ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, welches die Herstellung von Bremsscheiben aus C-C-Verbundwerkstoff ermöglicht, die gute mechanische und tribologische Eigenschaften aufweisen und sich für den Einsatz unter verschiedenen Bedingungen eignen, ohne unerwünschte Vibrationen mit sich zu bringen, und ohne nicht akzeptierbaren Verschleiß zu zeigen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

Erreicht wird dieses Ziel mit Hilfe eines Verfahrens zum Herstellen eines Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffteils, umfassend die Herstellung einer dreidimensionalen Faserstruktur, das Komprimieren der Faserstruktur, um einen faserförmigen Vorformling mit einer Gestalt ähnlich derjenigen des fertigen Werkstücks zu erhalten, das Halten des Vorformlings in seinem komprimierten Zustand und das Verdichten des Vorformlings, wobei das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte beinhaltet:
- Die dreidimensionale Faserstruktur wird gebildet, indem Filzlagen übereinandergelegt und die Lagen untereinander durch Nadelung verbunden werden,
- das Komprimieren der Faserstruktur erfolgt in der Weise, dass ein Vorformling mit einem Faservolumenanteil von mindestens 20% erhalten wird, und
- der Vorformling wird in seinem komprimierten Zustand durch Verfestigung nach Imprägnieren mit einer flüssigen Zusammensetzung gehalten wird, welche ein Bindemittel enthält, das in der Lage ist, die Fasern des Vorformling untereinander zu binden.
Vorzugsweise wird die dreidimensionale Faserstruktur dadurch erhalten, dass Filzlagen mit einem Faservolumenanteil zwischen 7% und 15% übereinandergelegt werden, wobei die Fasern eine durchschnittliche Länge zwischen 10 mm und 100 mm besitzen.
Die Filzlagen werden vorteilhafterweise einzeln nach Maßgabe ihres Übereinanderlegens genadelt. Vorzugsweise wird die Anzahl der Nadelstiche pro Flächeneinheit ebenso wie die Eindringtiefe der Nadeln in die Faserstruktur im Zuge der Fertigung so gesteuert, dass eine vorbestimmte Nadelungsdichte in der Dicke der Faserstruktur erhalten wird, vorzugsweise eine konstante volumenmäßige Nadelungsdichte, die zu einer Faserstruktur mit quasi-isotroper Beschaffenheit führt.
Das Halten des Vorformlings im komprimierten Zustand wird in vorteilhafter Weise realisiert, indem eine Flüssigzusammensetzung, die ein Bindemittel enthält, in das Innere eines Werkzeugs injiziert wird, in welchem der Vorformling komprimiert wird, wobei das Injizieren vor oder nach der Kompression erfolgen kann.
Das Bindemittel ist beispielsweise ein Harz, vorzugsweise ein Harz mit einem von Null verschiedenen Koksanteil, welches durch Wärmebehandlung des Vorformlings vor dessen Verdichtung durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase karbonisiert wird.
Bei Anwendung auf ein Fertigungsverfahren für ringförmige Bremsscheiben aus C-C-Verbundwerkstoff ermöglicht das Verfahren das Herstellen von Produkten, die die geforderten mechanischen und tribologischen Qualitäten aufweisen. Von der Anmelderin durchgeführte Versuche haben eine Stabilität des Bremsmoments und einen geringen Verschleiß unter unterschiedlichen Einsatzbedingungen ergeben. Außerdem konnte man nicht das Erscheinen von unerwünschten Vibrationen feststellen. Erklären lässt sich dies durch den Umstand, dass die Herstellung einer Faserverstärkung durch Filz zu einem Produkt führt, das eine schwächere Quersteifigkeit besitzt als dann, wenn die Verstärkung bidimensionale Lagen aus Stoff oder Flachstücken enthält, die unidirektional übereinandergelegt sind. Die Wahrscheinlichkeit für unregelmäßigen Verschleiß der Reibflächen, der eine Ursache für Vibrationen ist, ist also geringer geworden.
Ein ringförmiges Werkstück aus C-C-Verbundwerkstoff wird hergestellt aus einer ringförmigen dreidimensionalen Faserstruktur. Letztere lässt sich herstellen durch Wickeln eines Filzbandes zu übereinanderliegenden, durch Nadelung untereinander verbundenen Schichten, beispielsweise durch schraubenförmiges Wickeln eines verformbaren Filzbandes zu flachen Windungen oder durch Wickeln eines Filzbandes zu übereinanderliegenden Schichten auf einem zylindrischen Wickeldorn. In einer Abwandlung ist vorgesehen, dass die Ringstruktur dadurch gebildet werden kann, dass man Flachstücke aus Filz stapelt, die untereinander durch Nadelung verbunden werden. Die Flachstücke oder Schichten können vollständig sein, in welchem Fall die Ringstruktur dadurch erhalten wird, dass man die gestapelten und genadelten Schichten schneidet. Es ist aber auch möglich, vorgeschnittene ringförmige Lagen zu verwenden.
Der zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Filz besteht vorzugsweise aus Kohlenstofffasern. Er kann aus Fasern von Kohlenstoff- Vorläufermaterial bestehen, in welchem Fall die Umwandlung des Vorläufermaterials zu Kohlenstoff durch Wärmebehandlung des Vorformlings im genadelten Zustand erfolgt, sogar im komprimierten Zustand. Die Fasern aus Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Vorläufermaterial können Fasern auf der Grundlage von voroxidiertem Polyacrylonitril sein, Fasern auf Phenolbasis, Fasern auf Zellulosebasis, Fasern auf Pechbasis etc.
Aus unterschiedlichen Faserarten hergestellte Filze können für unterschiedliche Teile der Faserstruktur verwendet werden. Im Fall der Fertigung von Bremsscheiben kann man z. B. einen Filz aus Kohlenstofffasern oder Kohlenstoff- Vorläufermaterial-Fasern auf der Grundlage von voroxidiertem Polyacrylonitril (PAN) oder auf der Grundlage von anisotropem Pech für den Teil der Struktur verwenden, der dem Kern der Scheibe entspricht, während man einen Filz aus zumindest teilweise Kohlenstofffasern oder Kohlenstoff-Vorläufermaterial- Fasern auf der Grundlage von Phenol oder auf der Basis von Zellulose oder der Basis von isotropem Pech für den Teil oder jeden Teil der Struktur verwendet, der bzw. die einem Reibungsteil der Scheibe entsprechen. Kohlenstofffasern auf der Grundlage von voroxidiertem PAN oder anisotropem Pech sind Fasern mit hoher Festigkeit, während Kohlenstofffasern auf der Basis von Phenol, Zellulose oder isotropem Pech Fasern mit geringem Modul sind. Der Einsatz von Fasern mit geringem Modul entweder allein oder im Gemisch mit Fasern hoher Festigkeit an der Reibfläche oder den Reibflächen der Scheibe trägt bei zum zusätzlichen Verringern der Quersteifigkeit und der Verringerung des unregelmäßigen Verschleißes als Quelle für die Vibrationen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im folgenden aus Anschauungszwecken, jedoch ohne beschränkende Wirkung beschrieben. In den begleitenden Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die aufeinanderfolgenden Stadien bei der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 2A und 2B die Bildung einer ringförmigen, dreidimensionalen Faserstruktur gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3A und 3B die Bildung einer Faserstruktur gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4A und 4B die Bildung einer Faserstruktur gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5A und 5B die Bildung einer Faserstruktur gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 6A bis 6C die Kompression einer Faserstruktur und das Halten des komprimierten Zustands des erhaltenen Vorformlings bei der Implementierung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

In der folgenden Beschreibung wird die Herstellung von Bremsscheiben aus C- C-Verbundwerkstoff betrachtet, wobei sich versteht, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch anwendbar ist auf die Fertigung anderer Werkstücke aus C-C-Verbundwerkstoff, die nicht notwendigerweise Ringform besitzen, wie dies für den Fachmann unmittelbar ersichtlich ist.
Die verschiedenen Schritte der Herstellung einer Bremsscheibe aus C-C-Verbundwerkstoff bestehen bei einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens im Wesentlichen aus Folgenden (Fig. 1):
- Bereitstellung eines Grundfaserstoffs in Form eines Filzes 10 aus Fasern aus Kohlenstoff oder aus Kohlenstoff-Vorläufermaterial,
- Ausbilden einer dreidimensionalen Faserstruktur 12 durch Übereinanderlegen und Nadeln der Filzlagen 10,
- Komprimieren der Struktur 12, um einen Vorformling 14 zu erhalten, der eine Gestalt ähnlich derjenigen der herzustellenden Bremsscheibe aufweist,
- Halten des Vorformlings 14 in dem komprimierten Zustand durch Verfestigung nach Imprägnieren mit einer flüssigen Zusammensetzung, die ein Bindemittel enthält,
- Verdichten des Vorformlings 14 beispielsweise mindestens teilweise durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase oder durch eine andere Verdichtungsmethode, und
- materialabhebendes Bearbeiten des verdichteten Vorformlings, um die erwünschte Bremsscheibe 16 zu erhalten.
Das Imprägnieren mit der flüssigen Zusammensetzung, die ein Bindemittel enthält, lässt sich vor oder nach der Kompression der Faserstruktur durchführen.
Der Filz 10 wird in konventioneller Weise mit Hilfe von relativ kurzen Kohlenstofffasern hergestellt, d. h. aus Fasern, deren mittlere Länge vorzugsweise zwischen 10 mm und 100 mm liegt. Der so erhaltene Filz besitzt einen Faservolumenanteil von etwa zwischen 7% und 15%, wobei der Faservolumenanteil derjenige Volumenanteil ist, der in dem Filz tatsächlich von den Fasern belegt wird, was einer Dichte von zwischen etwa 100 und 200 kg/m³ entspricht.
Die verwendeten Fasern sind Kohlenstofffasern, erhalten durch Karbonisieren von Kohlenstoff-Vorläufermaterial-Fasern, oder es sind Fasern aus Kohlenstoff-Vorläufermaterial, die noch nicht karbonisiert sind. Die Kohlenstoff-Vorläufermaterial-Fasern, die sich in den beiden Fällen eignen, sind Fasern aus voroxidiertem Polyacrylonitril, Phenol-Fasern, Zellulosefasern, Pech-Fasern etc. Man kann für ein und denselben Filz mehrere unterschiedliche Vorläufermaterialien verwenden. Insbesondere ist es möglich, Fasern aus voroxidiertem Polyacrylonitril-Vorläufermaterial und/oder aus anisotropem Vorläufermaterial-Pech, das nach dem Karbonisieren zu Kohlenstofffasern hoher Festigkeit führt, zusammen mit Fasern zu verwenden, die Fasern aus einem Phenol-Vorläufermaterial und/oder Fasern eines Zellulose-Vorläufermaterials und/oder Fasern eines isotropen Pech-Vorläufermaterials sind, die nach dem Karbonisieren Kohlenstofffasern mit niedrigem Modul sind.
Abhängig von dem gewählten Verfahren zum Herstellen der Faserstruktur kann der Filz 10 unterschiedliche Formen aufweisen, so z. B. kann er die Form eines durchgehenden, mehr oder weniger großen Bandes, die Form von vollen Lagen oder vorgeschnittenen ringförmigen Lagen haben.
Es sind verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung der ringförmigen dreidimensionalen Faserstruktur möglich, wobei sämtliche Verfahren das Übereinanderlegen und Nadeln mehrerer Filzlagen beinhalten, und wobei die Anzahl der Lagen ausgewählt ist als Funktion der Steifigkeit und des Faservolumenanteils, die für den Vorformling nach der Kompression erwünscht sind.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 2A und 2B wird die Struktur gebildet durch schraubenförmiges Wickeln flacher übereinanderliegender Windungen eines verformbaren Streifens oder Bandes 20 aus Filz 10. Die Verformbarkeit des Bandes 20 ist deshalb gegeben, damit ein flaches Wickeln möglich ist, ohne dass es zu signifikanten Überdicken im Bereich des Innenumfangs der Struktur kommt. Zu diesem Zweck sind an der Seite des Streifens 20, die den Innenumfang bildet, im Wesentlichen V-förmige Kerben 20a ausgebildet, wobei die Kerben sich über den größten Teil der Breite des Bandes erstrecken (Fig. 2A).
Das Nadeln des Bandes 20 erfolgt vorzugsweise nach Maßgabe von dessen Aufwicklung in der Weise, dass jede Lage auf der darunter benachbarten Struktur genadelt wird. Zu diesem Zweck ruht die ringförmige Struktur im Zuge der Herstellung auf einer horizontalen Drehlagerung 22, die eine Ringplatte 22a aufweist, deren Zentrum eine Nabe 22b besitzt (s. Fig. 2B). Die Drehung der Halterung 22 ruft ein flaches Aufwickeln des Bandes 22 um die Nabe 22b herum hervor.
Zumindest ein Nadelbalken 24 erstreckt sich horizontal über die Breite des Bandes 12 in radialer Richtung bezüglich der vertikalen Achse der Halterung 22 unmittelbar stromabwärts derjenigen Stelle, an der das Band 12 im Zuge der Herstellung in Berührung mit der ringförmigen Struktur gelangt. Der Nadelbalken ist in herkömmlicher Weise in eine vertikale Auf- und Abbewegung versetzt, in deren Verlauf die Nadeln in die übereinanderliegenden Windungen der in der Ausbildung begriffenen Struktur eindringen.
Vorzugsweise, jedoch nicht unbedingt, erfolgt das Nadeln in der Weise, dass eine im Wesentlichen gleichförmige Nadelungsdichte im gesamten Volumen der Ringstruktur erhalten wird. Zu diesem Zweck werden die Oberflächendichte der Nadelung, d. h. die Anzahl von Nadelstichen pro Flächeneinheit, und die Nadelungstiefe im wesentlichen konstant gehalten. Eine konstante Oberflächendichte wird dadurch erhalten, dass man der Anordnung der Nadeln 24a des Balkens 24 die Form eines Sektors verleiht, in welchem die Nadeln gleichförmig verteilt sind, um die lineare Weglängendifferenz zwischen den Innenumfang und dem Außenumfang der Ringstruktur während deren Drehung zu kompensieren. Eine im Wesentlichen konstante Nadelungstiefe, welche sich vorzugsweise über mehrere übereinanderliegende Lagen erstreckt, erhält man dadurch, dass man die Drehplatte 22 nach Maßgabe des Wickelvorgangs progressiv absenkt.
Damit die Nadeln 24a über die erforderliche Strecke in die ersten Windungen des Bandes 20 eindringen können, ohne am Anfang des Wickelvorgangs beschädigt zu werden, ist die Platte 22 mit einer Grundbedeckung ausgestattet, die z. B. die Form eines Filzes 26 aus Polypropylen hat, bedeckt mit einem Trennflachstück 28 aus Kunststoff, beispielsweise einem Elastomer. Der Filz 26 gestattet das Eindringen der Nadeln, allerdings verhindert das Flachstück 28, dass ein Großteil der aus dem Filz 10 kommenden Fasern hindurchtreten, demzufolge die Ringstruktur sich leicht von der Platte 22 abnehmen lässt.
Die Zufuhr des Bandes 20 wird unterbrochen, sobald die angestrebte Dicke für die Ringstruktur erreicht ist. Anschließend kann eine Abschluß-Nadelung dadurch vorgenommen werden, dass die Platte 22 weiter gedreht und schließlich abgesenkt wird, derart, dass die letzten Wickellagen die gleiche Anzahl von Nadelstichen "sehen", wie die vorausgehenden, und die Ringstruktur eine Nadelungsdichte pro Volumeneinheit besitzt, die über die gesamte Dicke hinweg konstant ist.
Die Fig. 3A und 3B zeigen schematische eine weitere Ausführungsform der dreidimensionalen ringförmigen Faserstruktur.
Ein Band 30 aus Filz 10 wird in übereinanderliegende Lagen auf einem drehenden zylindrischen Wickeldorn mit horizontaler Achse aufgewickelt und wird nach Maßgabe des Wickelvorgangs genadelt.
Der Wickeldorn 32 ist mit einer ringförmigen Grundabdeckung ausgestattet, die einen Filz 36 und ein Separierflachstück 38 enthält, ähnlich den betreffenden Elementen, die bei der Ausführungsform nach Fig. 2B vorhanden sind. In einer Abwandlung kann das Filzband auf einen festen Wickeldorn aufgewickelt werden, der mit Perforationen gegenüber den Nadeln ausgestattet ist, wobei der Wickelvorgang realisiert wird, indem das Band mit tangentialer Berührung mit einer Drehwalze angetrieben wird.
Die Nadelung erfolgt mit Hilfe eines Nadelbalkens 34, der sich über die Breite des Bandes 30 an einer Stelle unmittelbar stromabwärts bezüglich derjenigen Stelle befindet, an der das Band 30 in Berührung mit den bereits gewickelten Schichten gelangt.
Die Nadeln 34a des Balkens 34 sind gleichmäßig über die Länge des Balkens verteilt, um eine konstante Oberflächendichte der Nadelung zu erhalten. Die Tiefe der Nadelung wird dadurch konstant gehalten, dass der Wickeldorn 32 fortschreitend versetzt wird. Auf diese Weise erstreckt sich bei dem dargestellten Beispiel der Nadelbalken über die Länge der oberen Mantellinie der Hülse 39, die durch die übereinanderliegenden Windungen des Bandes 30 gebildet wird, und der Wickeldorn 32 wird von einem Lager 33 gehaltert, welches progressiv abgesenkt werden kann.
Das Wickeln des Bandes 30 wird unterbrochen, sobald die Dicke der übereinanderliegenden und genadelten Windungen den Wert erreicht, der der radialen Sollabmessung für die dreidimensionale Ringstruktur entspricht, d. h. entsprechend der Differenz zwischen Innen- und Außenradius. Die Durchgänge der Abschlussnadelung können so vorgenommen werden, wie es bereits oben beschrieben wurde.
Anschließend, nachdem die fertige genadelte Hülse abgenommen ist, kann sie in radialen Ebenen geschnitten werden (Fig. 3B), beispielsweise mit Hilfe eines Wasserstrahlschneidvorgangs, um die erwünschten Ringstrukturen 12 zu erhalten. In einer Abwandlung kann das Schneiden erfolgen, nachdem eine Kompression in axialer Richtung vorgenommen wurde, wobei der komprimierte Zustand gehalten wird durch Imprägnieren mit Hilfe einer flüssigen Zusammensetzung, die ein Bindemittel enthält, und ggf. durch Karbonisieren, in welchem Fall komprimierte Kohlenstofffaser-Vorformlinge erhalten werden, die fertig für die Verdichtung sind.
Bei einer in den Fig. 4A und 4B dargestellten weiteren Ausführungsform werden ebene Lagen 40 aus Filz 10, beispielsweise mit rechteckiger Form, gestapelt und nach Maßgabe ihres Stapelvorgangs genadelt.
Die Lagen ruhen auf einer horizontalen ebenen Unterlage 42, die mit einer Grundbedeckung aus einem Filz 46 und einem Separierflachstück 48 ausgestattet ist, ähnlich den Elementen, die bei der Ausführungsform nach Fig. 2B verwendet wurden.
Das Nadeln erfolgt mit Hilfe eines Nadelbalkens 44, der sich horizontal über die Breite der Lagen 40 erstreckt. Die Nadeln 44a des Balkens 44 sind gleichmäßig entlang dem Balken verteilt. Jedes Mal, wenn eine neue Lage 40 hinzugefügt wird, erfolgt ein Nadelungsdurchgang durch Relativ-Verlagerung zwischen dem Nadelbalken 44 und der Unterlage 42, woraufhin die Unterlage 42 um ein Stück abgesenkt wird, welches der Dicke einer genadelten Lage entspricht, derart, dass eine konstante Nadelungstiefe beibehalten wird. Die Relativbewegung zwischen dem Nadelbalken 44 und der Unterlage 42 lässt sich bewerkstelligen durch horizontales Vor- und Zurückverlagern über den Lagen 40. Die Verlagerungsgeschwindigkeit und die Häufigkeit der Nadelung (Häufigkeit der vertikalen Auf- und Abbewegung des Balkens 44) sind so gewählt, dass eine konstante angestrebte Oberflächendichte der Nadelung erhalten wird.
Unterbrochen wird der Vorgang, wenn die Dicke der gestapelten und genadelten Lagen 40 einen Wert entsprechend demjenigen der angestrebten dreidimensionalen Ringstruktur erreicht. Die Abschluss-Nadelungsdurchläufe können ebenfalls wie oben beschrieben ausgeführt werden.
Anschließend wird die gewünschte dreidimensionale Struktur 12 durch Zuschneiden erhalten, beispielsweise mit Hilfe eines Lochstanzers und ausgeführt in der Anordnung der gestapelten und genadelten Lagen 40 (Fig. 4B).
Die Fig. 5A und 5B zeigen eine noch weitere Ausführungsform einer dreidimensionalen Ringstruktur.
In diesem Fall werden Ringe 51, deren Innen- und Außendurchmesser denjenigen der auszubildenden Ringstruktur entspricht, aus den Filzlagen 50 ausgeschnitten (Fig. 5A).
Die Ringe 51 werden mit Hilfe einer Anlage, die derjenigen nach Fig. 2B ähnelt, gestapelt und genadelt. Die Ringe 51 werden also auf einer horizontalen Ringplatte 52a gestapelt, von der eine mittlere Nabe 52B hochsteht, um die herum die Ringe 51 plaziert werden. Die Platte 52a ist mit einer Grundabdeckung aus einem Filz 56 und mit einem Separierflachstück 58 ausgestattet, ähnlich den Elementen der Ausführungsform nach Fig. 2B.
Die Ringe 51 werden mit Hilfe eines Nadelbretts 54 genadelt, welches sich über eine Strecke, die der radialen Abmessung der Ringe 51 entspricht, in horizontaler Richtung erstreckt. Jeder Ring 51 wird genadelt durch Relativ-Drehung zwischen dem Nadelbrett 54 und der Platte 52a über eine vollständige Umdrehung um die vertikale Achse der Platte 52a. Anschließend wird die Platte 52a um ein Stück abgesenkt, das im wesentlichen der Dicke eines genadelten Rings entspricht. Man sieht, dass die Relativbewegung zwischen der Platte 52a und dem Nadelbrett 54 erhalten werden kann durch Drehen der Platte 52a, wie es bei der Ausführungsform nach Fig. 2B der Fall ist, oder durch Drehen des Nadelbretts.
Die Nadeln 54a des Bretts 54 sind so angeordnet wie bei dem Balken 24, demzufolge man eine konstante Oberflächen-Nadelungsdichte erhalten kann, was im Verein mit einer etwa konstanten Nadelungstiefe eine gleichförmige Volu men-Nadelungsdichte in der fertigen dreidimensionalen Ringstruktur ermöglicht.
Das Stapeln und Nadeln der Ringe 51 wird unterbrochen, sobald die erreichte Dicke derjenigen der angestrebten dreidimensionalen Ringstruktur entspricht, wobei die Abschluss-Nadeldurchläufe so vorgenommen werden können, wie es oben beschrieben wurde. Auf diese Weise erhält man direkt eine dreidimensionale Ringstruktur.
Man erkennt, dass die Nadelung mit etwa konstanter Dichte, wie sie durch die verschiedenen, oben beschriebenen Ausführungsformen erreicht wird, auf Prinzipien beruht, die in den Schriften US-A-4 790 052 und FR-A-2 726 013 beschrieben sind.
In einer Abwandlung brauchen die einzelnen Filzlagen nicht einzeln Schicht für Schicht genadelt zu werden, sondern lediglich nach Übereinanderlegen mehrerer Lagen. Unter solchen Umständen erfolgen ein oder mehrere Nadelungsdurchläufe jedes Mal dann, wenn eine vorbestimmte Anzahl von Filzlagen hinzugefügt wurde.
Die Verwendung von Filzlagen und deren Bindung untereinander durch Nadelung ermöglicht das Erhalten einer Struktur, in der die Fasern in einer nicht beschränkte Anzahl von räumlichen Richtungen orientiert sind, d. h. eine tatsächlich dreidimensionale Struktur. Außerdem kann die Nadelungsdichte so gewählt werden, dass eine ausreichend große Anzahl von Fasern in Z-Richtung (senkrecht zu den Lage) transferiert wird, damit eine Struktur erhalten wird, die von quasi-isotroper Beschaffenheit ist.
Die dreidimensionalen faserförmigen Ringstrukturen, die nach einem der oben beschriebenen Verfahren erhalten werden, werden dadurch komprimiert, dass sie in ein Werkzeug eingebracht werden, wie es schematisch in den Fig. 6A bis 6C dargestellt ist.
Das verwendete Werkzeug 60 enthält ein unteres Formelement 62 und ein oberes Formelement 64, die mit zugehörigen Pressenplatten 66 bzw. 68 gekoppelt sind. Eine zu komprimierende Struktur 12 wird in das untere Element 62 eingebracht, welches eine Ringwand 62a und eine mittlere Nabe 62b enthält, zwischen denen die Struktur 12 plaziert wird, und zwischen die das obere Element 64, welches Ringform besitzt, eingreifen kann.
Das Komprimieren erfolgt dadurch, dass das obere Formelement 64 abgesenkt wird. Das Volumen der Ringstruktur 12 wird so weit verringert, bis der in dem Vorformling erwünschte Faservolumenanteil erreicht ist. Diese Verringerung des Volumens kann dem Zwei- bis Drei-Fachen entsprechen, um einen Faservolumenanteil von mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 30% zu erreichen. Das Komprimieren kann schließlich dadurch unterstützt werden, dass man an das Innere des Werkzeugs eine Vakuumquelle anschließt, beispielsweise über einen Kanal 64a, der in der Oberwand des oberen Formelements ausgebildet ist.
Der erhaltene komprimierte Vorformling wird in seiner Form dadurch gehalten, dass eine Imprägnierzusammensetzung direkt in das Werkzeug 60 eingespritzt wird. Die Imprägnierzusammensetzung besteht beispielsweise aus einem möglicherweise in Lösung befindlichen Harz. Man verwendet ein Harz, dessen Koksanteil von Null verschieden ist, beispielsweise ein Phenolharz oder ein Furanharz. Das Einspritzen erfolgt durch Öffnungen 62c, die z. B. in dem unteren Formelement 62 ausgebildet sind, wobei der Einspritzvorgang möglicherweise noch unterstützt wird, indem man das Innere des Werkzeugs über einen Kanal 68a an eine Vakuumquelle anschließt.
In einer Abwandlung kann der Einspritzvorgang in das Werkzeug 60 erfolgen, nachdem der Vorformling eingestellt wurde, allerdings vor dem Komprimieren. Dies ist dann bevorzugt, wenn in der Imprägnierzusammensetzung Füllstoffe vorhanden sind, wodurch die Fluidität der Imprägnierzusammensetzung verringert wird, und es dann einfacher ist, eine gleichmäßige Verteilung der Zusammensetzung innerhalb des Vorformlings zu erreichen, wenn dessen Poren besser zugänglich sind.
Das Polymerisieren des Harzes nach dem Komprimieren kann durch Erhitzen der Formelemente 62 und/oder 64 vorgenommen werden, beispielsweise mit Hilfe elektrischer Heizwiderstände. Nach der Polymerisation des Harzes wird der verfestige Vorformling 14 aus dem Werkzeug 60 entnommen.
Anschließend erfolgt eine Karbonisierungs-Wärmebehandlung an dem verfestigten Vorformling, um das Harz zu karbonisieren und möglicherweise auch die Fasern des Filzes zu karbonisieren, wenn sie durch ein Kohlenstoff-Vorläufermaterial gebildet sind und nicht bereits vorher in Kohlenstoff umgewandelt wurden. Das Karbonisieren wird z. B. bei einer Temperatur von etwa 700ºC in neutraler Atmosphäre durchgeführt. Das Karbonisieren des Harzes lässt Kohlenstoff in Form eines Harzkokses übrig, das die Fasern des Harz-Vorformlings miteinander verbindet und dadurch garantiert, dass der Vorformling seine Gestalt beibehält und gehandhabt werden kann, ohne dass zur Formerhaltung Werkzeuge benötigt werden.
Abhängig von dem Koksanteil, der Menge und dem Verdünnungsverhältnis des eingespritzten Harzes kann die Menge des erhaltenen Koksharzes zwischen einem Minimalwert, der notwendig ist, um die Verfestigung des Vorformlings zu garantieren, bis zu einem viel höheren Wert schwanken, bei dem eine partielle Verdichtung bis zu einem beträchtlichen Ausmaß erfolgt.
Anschließend erfolgt eine zumindest teilweise Verdichtung des Vorformlings, oder die Verdichtung wird fortgesetzt durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase, derart, dass in an sich bekannter Weise eine Matrix aus pyrolytischem Kohlenstoff abgelagert wird, zusätzlich zu dem Koksharz. Es können andere bekannte Methoden zum Verdichten eingesetzt werden, beispielsweise eine Flüssigmethode oder eine Gas-Infiltriermethode durch Verdampfen eines flüssigen Vorläufers, in den der erhitzte Vorformling eingetaucht wird.
Vorzugsweise werden die Filzschichten komprimiert und anschließend verfestigt, und der Faservorformling wird derart verdichtet, dass man eine C-C- Verbundwerkstoffscheibe erhält, die - in Volumen-Prozent - etwa 25 bis 30% Fasern, etwa 15 bis 20% Harzkoks, etwa 35% bis 45% pyrolytischen Kohlenstoff und etwa 15% bis 20% Restporosität aufweist.
Die C-C-Verbundwerkstoff-Scheibe 16 wird materialabhebend auf definierte Abmessungen gebracht. Sie enthält einen Kern 16a (Fig. 1) mit einem Reibungsteil 16b, der sich auf einer Seite oder auf beiden Seiten des Kerns befindet, abhängig davon, ob es sich um eine Scheibe mit einer Reibungsseite oder mit zweien handelt. (Nicht dargestellte) Kerben sind entlang dem Innen- oder Außenumfang des Kerns ausgebildet, um eine mechanische Kopplung zwischen der Scheibe und einem Organ zu ermöglichen, mit dem die Scheibe drehfest verbunden ist.
Man sieht, dass die Ausbildung einer dreidimensionalen Ringstruktur aus einem Grundfaserstoff in Form eines Filzes weniger kostspielig ist als bei Verwendung eines gewebten Tuchmaterials oder von Laminaten unidirektionaler Flachstücke, die teurer in der Herstellung sind. Dies gilt insbesondere dann, wenn nur wenig oder überhaupt kein Verschnitt anfällt. Außerdem ermöglicht das Imprägnieren mit einem Harzmaterial gleichzeitig ein Verfestigen des Vorformlings, und damit ein Arbeiten ohne Stützwerkzeug während des chemischen Infiltrie rens aus der Dampfphase, und die Bildung eines Teils des Kohlenstoffmatrix, mithin eine Verringerung der Verweildauer für den Verdichtungsvorgang.
Die Faserverstärkung der Scheibe, die durch den Vorformling gebildet wird, kann aus Kohlenstofffasern der gleichen Beschaffenheit bestehen, oder aus Fasern mit verschiedenen Beschaffenheiten. Vorzugsweise werden Kohlenstofffasern mit hoher Festigkeit für denjenigen Teil des Vorformlings verwendet, der dem Kern der Scheibe entspricht, weil es der Kern ist, der die Übertragung von Reibungskräften garantiert. Die Kohlenstofffasern hoher Festigkeit sind insbesondere Fasern mit einem voroxidiertem Polyacrylonitril- Vorläufer oder einem anisotropen Pech-Vorläufer. Wie bereits erwähnt, können stattdessen auch Kohlenstofffasern mit niedrigem Modul zumindest teilweise für den oder jeden Abschnitt des Vorformlings verwendet werden, der dem oder jedem Reibungsteil der Scheibe entspricht, um hierdurch die Quersteifigkeit zu verringern. Kohlenstofffasern mit niedrigem Modul sind insbesondere Fasern mit einem Phenol-Vorläufer oder einem Zellulose-Vorläufer, oder mit einem isotropen Pech-Vorläufer.
Um Faserverstärkungen mit Kohlenstofffasern zu erhalten, die sich aus über die Dicke der Scheibe verschiedenen Vorläufermaterialien ergeben, stellt man vorzugsweise fasrige Vorformlinge durch Kompression von Ringstrukturen her, die aus gestapelten Lagen gebildet sind, wie dies bei der Ausführungsform nach den Fig. 4A, 4B und 5A und 5B der Fall ist. Die ersten und/oder letzten Lagen des Stapels, die dem und/oder jedem Reibungsteil der Scheibe entsprechen, werden also aus Filz mit einer Zusammensetzung gebildet, die sich unterscheidet von derjenigen der Zwischenlagen, welche dem Kern der Scheibe entsprechen.
Beispielsweise kann man für die ersten und/oder letzten gestapelten Lagen des Filzes ein Gemisch aus Kunststoff- oder Kohlenstoffvorläufer-Fasern basie rend auf voroxidiertem Polyacrylonitril (PAN) und basierend auf Phenol verwenden, während der für die Zwischenlagen verwendete Filz aus Kohlenstoff- oder Kohlenstoffvorläufer-Fasern basierend auf voroxidiertem Polyacrylonitril besteht.

Beispiel 1

Es wurde ein Bremsscheibe mit zwei Reibflächen für eine Kraftfahrzeug- Bremsanlage hergestellt, indem sukzessive zweiunddreißig Filzlagen flach gestapelt und genadelt wurden, wobei die Filzlagen aus Fasern voroxidierten PANs gebildet waren, die einen Faseranteil von etwa 21% besaßen. Jede Filzlage war etwa 5 mm dick im entspannten Zustand (vor dem Nadeln und Komprimieren).
Die Filzlagen werden einzeln mit einer etwa konstanten Nadelungstiefe genadelt, wie in der FR-A-2 584 106 oder der FR-A-2 726 013 beschrieben ist, derart, dass eine Faserstruktur erhalten wurde, die eine etwa konstante Nadelungs-Volumendichte besaß. Anschließend erfolgt eine Karbonisierung, um die Vorläufermaterialien der Fasern in Kohlenstoff umzuwandeln. Nach dem Karbonisieren bei etwa 1600ºC beträgt der Faseranteil etwa 12%.
Die erhaltene Kohlenstofffaserstruktur wird zu Ringen mit einem Innen- und Außendurchmesser von 180 bzw. 360 mm geschnitten, wie es bei der Ausführungsform nach Fig. 4B der Fall ist. Die Struktur wird in einer Form so weit komprimiert, dass ihr Volumen um etwa das 2,3-Fache reduziert wird, um eine Dicke von 28 mm zu erreichen, was einem Faservolumenanteil von etwa 29% entspricht, und die Struktur wird in ihrer Gestalt gehalten, durch Einspritzen von in wässriger Lösung befindlichem Phenolharz mit anschließender Polymerisation des Harzes. Der Vorformling wird aus der Form entnommen und anschlie ßend einer Wärmebehandlung unterzogen, um das Harz zu karbonisieren. Die Menge des eingeleiteten Phenolharzes bestimmt sich in der Weise, dass man Harzkoks in einer Menge enthält, die etwa 25 Volumen-% des verfestigten Vorformlings ausmacht, wobei die scheinbare Dichte des verfestigten Vorformlings bei etwa 0,9 g/cm³ liegt. Es schließt sich die Verdichtung durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase an, bis der im Inneren des verfestigten Vorformlings niedergeschlagene Anteil des pyrolytischen Kohlenstoffs etwa 26 Volumen-% ausmacht, wodurch eine Restporosität von etwa 10 Volumen-% verbleibt. Man sieht, dass das Karbonisieren des Phenolharzes vorgenommen werden kann, während dessen Temperatur angehoben werden kann, um den Verdichtungsprozess vorzubereiten.
Die erhaltene C-C-Verbundwerkstoff-Scheibe hat eine Dichte von 1,65 g/cm³. Sie wurde einem Reibungstest in einer Prüfbank mit Bremsklötzen unterzogen, die ebenfalls aus C-C-Verbunstoff bestanden. Die Bremsklötze werden hergestellt durch Verdichten eines Vorformlings aus übernadelten Flachstücken aus Phenol-Vorläufermaterial-Kohlenstofffasern, wobei das Übernadeln so durchgeführt wurde, dass man einen Faservolumenanteil von etwa 50% erhielt.
Die durchgeführten Tests zeigten eine deutliche Stabilität des Bremsmoments und einen regelmäßigen und moderaten Verschleiß, wobei keine unerwünschten Vibrationen entstanden.

Beispiel 2

Das Verfahren war wie beim Beispiel 1, nur dass nacheinander dreiundzwanzig Filz-Flachstücke aus Fasern gestapelt und genadelt wurden, welche aus voroxidiertem Vorläufer-PAN bestanden.
Nach dem Karbonisieren der Fasern und Zuschneiden zu Ringen wird der Vorformling komprimiert, um sein Volumen um ein Verhältnis von etwa dem 1,8- Fachen bis auf eine Dicke von 22 mm herunterzuverringern, wobei ein Faservolumenanteil etwa 23% betrug. Es erfolgte eine Phenolharz-Imprägnierung, so dass nach dem Polymerisieren und Karbonisieren des Harzes ein verfestigter Vorformling erhalten wurde, dessen Koksanteil etwa 40% und dessen scheinbare Dichte etwa 1 g/cm³ betrug.
Der verfestigte Vorformling wird anschließend verdichtet durch pyrolytischen Kohlenstoff, der durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase niedergeschlagen wurde, bis der pyrolytische Kohlenstoff etwa 27 Volumen-% ausmachte, was eine Restporosität von etwa 10 Volumen-% übrig ließ. Die endgültige Volumenmasse beträgt etwa 1,6 g/cm³. Die erhaltene Scheibe wird unter ähnlichen Bedingungen wie im Beispiel 1 getestet. Man erkennt wiederum eine gute Stabilität des Bremsmoments und das Fehlen unerwünschter Vibrationen.

Beispiel 3

Man geht vor wie beim Beispiel 1, nur dass nach dem Nadeln, jedoch vor dem Komprimieren, der Vorformling durch Einsaugen einer verdünnten Phenolharzlösung imprägniert wurde. Anschließend kann das Lösungsmittel verdampfen (zu Ethanol), woraufhin der Vorformling in der Form komprimiert wird. Der Rest des Verfahrens ist unverändert.
Die Menge des eingeleiteten Phenolharzes und das Komprimieren sind so, dass der verfestigte und karbonisierte Vorformling einen Faseranteil von 25% und einen Koksanteil von 15% besaß, was eine Porosität von 60 Volumen-% und eine scheinbare Volumenmasse von 0,67 g/cm³ übrig ließ.
Das Verdichten durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase erfolgt so lange, bis der niedergeschlagene pyrolytische Kohlenstoff etwa 50 Volumen-% ausmacht, was eine Restporosität von etwa 10% belässt und eine Volumenmasse oder Dichte von etwa 1,73 g/cm³ ergibt. Die anschließen durchgeführten Test ergeben vollständige Befriedigung sowohl hinsichtlich der Stabilität des Bremsmoments als auch des Fehlens unerwünschter Schwingungen.

Beispiel 4!

Man schafft eine genadelte Faserstruktur wie beim Beispiel 1. Es werden mehrere Proben zugeschnitten. Jede Probe wird in ein Werkzeug eingebracht, und in das Werkzeug wird ein Furanharz injiziert, bevor eine Komprimierung erfolgt. Die Kompression erfolgt im kalten Zustand, anschließend wird der Vorformling unter Druck gehalten und das Harz vernetzt bei einer auf etwa 150ºC angehobenen Temperatur.
Der auf diese Weise verfestigte Vorformling wird einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von etwa 900ºC unterzogen, um das Harz in Kohlenstoff umzuwandeln. Das Verdichten durch eine Kohlenstoffmatrix erfolgt anschließend durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase.
Die Tabelle unten gibt die Werte für den Koksanteil, den Anteil an pyrolytischem Kohlenstoff (PyC), erhalten durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase, die endgültige Volumenmasse (Dichte), die endgültige Porosität und die Bruchspannung in (noch zu ergänzen) für unterschiedliche Proben an, die mit verschiedenen Drücken komprimiert wurden, was nach dem Komprimieren zu Faseranteilen von 20%, 25% bzw. 30% führt. Die Tabelle zeigt den Einfluß des Faseranteils auf die gemessene Spannung.

Beispiel 5

Man stellt eine genadelte Faserstruktur wie im Beispiel 1 her. Es werden mehrere Proben geschnitten. Jede Probe wird in ein Werkzeug eingebracht und soweit komprimiert, dass ein Faservolumenanteil von etwa 30% erreicht wird.
Nach dem Komprimieren wird in das Werkzeug ein Phenolharz injiziert. Es werden unterschiedliche Proben verwendet, indem man die Verdünnung des Phenolharzes in Wasser variiert. Der imprägnierte Vorformling wird durch Polymerisation des Harzes verfestigt, anschließend aus dem Werkzeug entnommen, um einer Karbonisierungs-Wärmebehandlung des Harzes unterzogen zu werden. Die Verdichtung durch die Kohlenstoffmatrix wird abgeschlossen durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase. Die nachstehende Tabelle zeigt die Werte für den Koksanteil, den Anteil von pyrolytischem Kohlenstoff, die Volumenmasse und die gemessene Dichte.
Diese Tabelle zeigt die Möglichkeit, die jeweiligen Mengen des Harzkokses und des pyrolytischen Kohlenstoffs im Inneren der Matrix einzustellen.

Beispiel 6

Man geht vor wie in Beispiel 3, mit dem Unterschied, dass die Faserstruktur durch aufeinanderfolgendes Stapeln und Nadeln erhalten wird:
- 10 Filzlagen aus 70 Volumen-% Kohlenstoff-Vorläufer-Fasern aus voroxidiertem PAN, und 30 Volumen-% Fasern aus Kohlenstoff-Vorläufermaterial vom Phenol-Typ ("Kynol"),
- 12 Filzlagen aus voroxidierten PAN-Fasern, und
- 10 Filzlagen, identisch mit den 10 ersten Lagen.
Die in einer Testbank ausgeführten Tests der erhaltenen Scheibe zeigen eine bemerkenswerte Stabilität des Bremsmoments und das völlige Fehlen von unerwünschten Vibrationen, was zurückzuführen ist auf das Vorhandensein von Kohlenstofffasern niedrigen Moduls in den Verschleißteilen der Scheibe benachbart zu deren Reibungsflächen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Werkstücks aus Kohlenstoff-Kohlenstoff- Verbundwerkstoff, umfassend die Bildung einer dreidimensionalen Faserstruktur, das Komprimieren der Faserstruktur, um einen Faservorformling einer Gestalt ähnlich derjenigen des herzustellenden Teils zu erhalten, das Halten des Vorformlings in einem komprimierten Zustand, und das Verdichten des Vorformlings, dadurch gekennzeichnet, dass

- die dreidimensionale Faserstruktur gebildet wird, indem Filzlagen übereinandergelegt werden und diese untereinander durch Nadelung verbunden werden, anschließend

- das Komprimieren der Faserstruktur in der Weise durchgeführt wird, dass ein Vorformling mit einem Faservolumenanteil von mindestens 20% erhalten wird,

- der Vorformling in seinem komprimierten Zustand dadurch gehalten wird, dass er nach dem Imprägnieren mit einer Flüssigzusammensetzung, die ein Bindemittel zum Verbinden der Fasern des Vorformlings untereinander enthält, verfestigt wird, wobei das Imprägnieren stattfindet, nachdem die dreidimensionale Faserstruktur durch Nadelung gebildet ist, und

- der verfestigte Vorformling durch eine Kohlenstoffmatrix verdichtet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Faserstruktur dadurch gebildet wird, dass Filzlagen, die einen Faservolumenanteil zwischen 7% und 15% haben, übereinandergelegt und genadelt werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Faserstruktur dadurch gebildet wird, dass Filzlagen aus Fasern mit einer mittleren Länge zwischen 10 mm und 100 mm übereinandergelegt und genadelt werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filzlagen nach Maßgabe ihres Übereinanderlegens genadelt werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jede Filzlage genadelt wird und die Anzahl von Nadelstichen pro Oberflächeneinheit und die Eindringtiefe der Nadeln in die Faserstruktur im Zuge der Fertigung in der Weise gesteuert werden, dass innerhalb der Dicke der Faserstruktur eine vorbestimmte Nadelungsdichte erzielt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Nadelstiche pro Flächeneinheit und die Eindringtiefe der Nadeln in der Weise gesteuert werden, dass eine konstante Nadelungsdichte in jeder Dicke der Faserstruktur erhalten wird, welche dieser eine quasi-isotrope Beschaffenheit verleiht.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Imprägnieren mit einer Flüssigzusammensetzung vor dem Komprimieren der Faserstruktur erfolgt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Imprägnieren mit einer Flüssigzusammensetzung nach dem Komprimieren der Faserstruktur erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halten des Vorformlings in einem komprimierten Zustand das Injizieren der ein Bindemittel enthaltenden Flüssigzusammensetzung in das Innere eines Werkzeugs, in welchem der Vorformling komprimiert wird, beinhaltet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halten des Vorformlings in dem komprimierten Zustand das Imprägnieren des Vorformlings mit einer ein Harz enthaltenden Flüssigzusammensetzung beinhaltet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Harz mit einem von Null verschiedenen Koksanteil verwendet, wobei das Harz durch eine Wärmebehandlung verkohlt wird, welcher der Vorformling ausgesetzt wird, bevor er durch chemisches Infiltrieren aus der Dampfphase verdichtet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 für die Fertigung eines ringförmigen Werkstücks aus Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass man eine dreidimensionale ringförmige Faser- Struktur durch Wickeln eines Filzbandes zu übereinanderliegenden Lagen, die durch Nadelung untereinander verbunden sind, herstellt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass man eine spiralförmige Wicklung mit abgeflachten Windungen aus einem verformbaren Filzband herstellt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Filzband verwendet, welches an einer seiner Seiten, die zur Ausbildung des Innenumfangs der Ringstruktur vorgesehen ist, mit V-förmigen Kerben versehen ist.

15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass man ein Filzband in übereinanderliegenden Lagen auf einen zylindrischen Wickeldorn wickelt.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass man eine zylindrische Hülse bildet durch Wickeln eines Filzbandes in übereinanderliegenden Lagen auf einem zylindrischen Wickeldorn, und Lagen untereinander durch Nadelung verbindet, und dass man die Hülse in Ebenen schneidet, die rechtwinklig zu der Achse der Hülse verlaufen, um ringförmige dreidimensionale Strukturen zu erhalten.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung eines ringförmigen Werkstücks, dadurch gekennzeichnet, dass man eine dreidimensionale, ringförmige Faserstruktur bildet, indem man flache Filzschichten stapelt und die Schichten untereinander durch Nadelung verbindet.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass man flache Schichten verwendet und eine ringförmige Struktur durch Schneiden nach dem Stapeln und der Nadelung der Schichten erhält.

19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass man vorgeschnittene ringförmige Schichten verwendet.

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass man die aus dem Verschnitt der Schichten stammenden Fasern zur Herstellung des Filzes wiederverwendet.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Filz aus Fasern des Kohlenstoff-Vorläufers verwendet und man das Vorläufermaterial durch Wärmebehandlung des genadelten Vorformlings in Kohlenstoff umwandelt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Filz aus Kohlenstofffasern oder Kohlenstoffvorläufermaterial-Fasern auf der Basis von voroxidiertem Polyacrylnitril oder Phenol oder Zellulose oder isotropem Pech oder anisotropem Pech verwendet.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass man mindestens einen Filz aus Fasern von Kohlenstoff verwendet, der von unterschiedlichen Vorläufermaterialien stammt, oder aus Fasern unterschiedlicher Kohlenstoff-Vorläufermaterialien.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass man unterschiedliche Arten von Filz für unterschiedliche Teile der Faserstruktur verwendet.

25. Verfahren nach Anspruch 24 zur Herstellung einer Bremsscheibe, die einen Kern und mindestens einen Reibungsteil an einer Seite des Kerns aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Filz aus Kohlenstofffasern oder Kohlenstoffvorläufermaterial-Fasern auf der Grundlage von voroxidiertem Polyacrylnitril oder auf der Grundlage von anisotropem Pech für denjenigen Teil der Struktur verwendet, der dem Kern der Scheibe entspricht, und man einen Filz, der mindestens teilweise Kohlenstofffasern oder Kohlenstoffvorläufermaterial-Fasern auf der Grundlage von Phenol oder Zellulose oder isotropem Pech enthält, für den oder jeden Teil der Struktur verwendet, der einem Reibungsteil der Scheibe entspricht.