PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69319284T2 17.12.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0581696
Titel Kohlenstoff/Kohlenstoff Verbundstoffreibungsmaterial mit aufgeteilter Porosität
Anmelder Le Carbone Lorraine, Courbevoie, Hauts-de-Seine, FR
Erfinder Bommier, Christophe, F-75015 Paris, FR;
Chareire, Jean-Louis, F-92300 Levallois-Perret, FR
Vertreter Beetz und Kollegen, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69319284
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 22.07.1993
EP-Aktenzeichen 934203126
EP-Offenlegungsdatum 02.02.1994
EP date of grant 24.06.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.12.1998
IPC-Hauptklasse C04B 35/52

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft den Bereich des Reibungsmaterials aus Kohlenstoff- Kohlenstoff-Verbundstoff (abgekürzt C-C).

Bisheriger Stand der Technik

Es existieren bereits sehr viele Arten von C-C-Verbundwerkstoffen, die als Reibungsmaterial verwendet werden ; sie unterscheiden sich entweder durch die Matrize oder durch das Substrat, das als faserige Verstärkung dient, oder durch beide voneinander.

Die faserige Verstärkung läßt sich generell durch eine sehr große Zahl von Parametern kennzeichen, wie z.B. den Fasertyp (Herstellung der Faser aus PAN, Pech, voroxidiert/verkohlt/graphitisiert), alle physikalischen Parameter bezogen auf die Einzelfasern (Länge, Durchmesser, usw.) und die Zusammenführung von Einzelfasern zu Bändern (Zahl der Einzelfasern pro Band), bezogen auf die Anordnung der Einzelfasern oder Bänder in Form von Gewebe- oder Vliessubstraten, die Anordnung der Gewebe- oder Vliessubstratbahnen, die Mittel zur Verbindung der Bahnen miteinander, wie z.B. die Nadelung, usw.

Die Kohlenstoffmatrize, die die Fasern oder die Kohlenstoffbänder miteinander verbindet, wird in der Regel durch Kohlenstoffabscheidung in dem typischerweise komprimierten Substrat hergestellt, entweder durch Pyrokohlenstoffabscheidung im CVD-Verfahren (chemisches Aufdampfen), oder durch Pech- oder Harzimprägnierung und Verkohlung, oder durch eine Kombination dieser beiden Methoden.

Je nach Beschaffenheit des faserigen Substrats erhält man einen C-C- Verbundstoff mit veränderlicher Textur.

Man verwendet die Bezeichnungen "feine Textur" oder "grobe Textur" zur jeweiligen Beschreibung von:

- C-C-Verbundstoffen, die aus einem komprimierten faserigen Substrat hergestellt werden, welches aus einer Einzeasermatte, einem Filz mit gleichmäßig verteilten, eventuell auf eine geringe Länge (< 0,5 mm) zugeschnitten Einzelfasern besteht. In diesem Fall ist das Substrat derart fein verteilt, daß es praktisch kein Element kubischen Volumens mit Abmessungen von größer oder gleich 100um. 100um. 100um gibt, das keine Kohlenstoff-Faser enthält, sei es innerhalb des komprimierten Substrats oder im Fertigverbundstoff. Siehe Figur 1a.

- C-C-Verbundstoffen, die aus einem komprimierten faserigen Substrat hergestellt werden, welches aus Kohlenstoff-Faser-Bandgeweben mit beliebiger Verteilung der Bandsegmente (zugeschnitte Bänder mit > 0,5 mm Länge), wobei jedes Band mindestens tausend Einzelfasern enthält. In diesem Fall ist das Substrat relativ grob verteilt, so daß es viele Elemente kubischen Volumens mit Abmessungen von größer oder gleich 100um. 100um. 100um gibt, die keine Kohlenstoff-Faser enthalten, sei es innerhalb des komprimierten Substrats oder im Fertigverbundstoff. Siehe Figur 1b.

Der Fachmann kennt bereits den Einfluß der Beschaffenheit der Matrize auf die Eigenschaften der als Reibungsmaterial verwendeten C-C-Verbundstoffe.

Aus der Anmeldung GB 2 004 855 sind Bremsscheiben aus faserverstärktem und durch mehrere aufeinanderfolgende CVD-Abscheidungen verdichtetem Kohlenstoffmaterial bekannt.

Bei vergleichender Betrachtung einer Substratverdichtung nach dem CVD- Verfahren (Bildung von meist laminarem rauhem Pyrokohlenstoff) oder durch Imprägnierung mit einem stark kohlenstoffhaltigen Harz erhält man im Falle der Verdichtung nach dem CVD-Verfahren eine Pyrokohlenstoffabscheidung auf den Fasern, mit einem stark gerichteten, also stark graphitisierbarem Pryokohlenstoff, wodurch ein C-C-Verbundstoff entsteht, der selbst ohne Graphitisierungsbehandlung relativ gut wärmeleitend ist. Siehe Figur 1c.

Bei einer Verdichtung durch Harzimprägnierung mit anschließender Verkohlung hingegen erhält man eine. äußerst unorganisierte, schwer graphitisierbare Kohlenstoffabscheidung, deren räumliche Verteilung ganz anders ist als beim CVD-Verfahren, wie aus Figur 1 d ersichtlich. Die so hergestellten C-C-Verbundstoffe sind selbst nach Graphitisierung schlechte Wärmeleiter, da sie Teilchen aus hartem schwer graphitisierbarem Kohlenstoff enthalten, die mit dem faserigen Substrat fest verbunden sind, wodurch ihnen eine gute Verschleißfestigkeit verliehen wird, wenn man sie gegeneinander reibt.

Wie dem Fachmann bekannt ist, wird außerdem bei der Verwendung von C-C- Verbundstoffen als Reibungsmaterial vorausgesetzt, daß der C-C-Verbundstoff folgende nach Wichtigkeit geordnete Eigenschaften aufweist:

- gute mechanische Eigenschaften und insbesondere eine gute Schlagfestigkeit, da die Bremsscheibe ein mechanisches Organ ist, das ein hohes Bremsmoment überträgt, welches Moment ganz plötzlich zu Beginn des Bremsvorgangs erscheint,

- zufriedenstellende Reibungseigenschaften, insbesondere eine hohe Stabilität des Reibungskoeffizienten im Verlauf desselben Bremsvorgangs und

- eine gute Verschleißfestigkeit (dabei handelt es sich zumeist um einen wirtschaftlichen Vorteil).

Aufgabenstellung

Die Anmeerin stellte fest, daß die Entwicklung eines C-C-Verbundstoffreibungsmaterials durch widersprüchliche Einflüsse funktioneller Faktoren beeinträchtigt wird, so daß es schwierig, wenn nicht sogar unmöglich ist, alle für ein Reibungsmaterial gewünschten Eigenschaften gleichzeitig zu erhalten.

Was den Einfluß der Textur des C-C-Verbundstoffs betrifft, sind die mechanischen Eigenschaften und insbesondere die Schlagfestigkeit eines Verbundstoffs grober Textur besser als bei einem Verbundstoff feiner Textur, dagegen ist die Verschleißgeschwindigkeit bei einer feinen Textur geringer.

Auch was die Beschaffung der Kohlenstoffmatrize betrifft, führt eine Matrize aus Pyrokohlenstoff zu einem stabileren Reibungskoeffizienten als eine Matrize, die durch Harzimprägnierung hergestellt wird. Dagegen nutzt sich ein Verbundstoff mit einer Matrize aus Pyrokohlenstoff schneller ab als eine durch Harzimprägnierung hergestellte Matrize, zumindest unter nicht oxidierenden Bremsbedingungen (Temperatur < 600ºC).

Mischmatrizen, die durch Verdichtung des faserigen Substrats im CVD- Verfahren oder durch Imprägnierung erhalten werden, führten mit den bekannten Herstelungsverfahren nicht zu einem C-C-Verbundstoff mit verbesserten Reibungseigenschaften.

Die Anmelderin hat folglich ihre Untersuchungen fortgeführt mit dem Ziel, einen C-C-Verbundwerkstoff zu entwickeln, der sich besonders als Reibungsmaterial eignet.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß weist das C-C-Verbundstoffmaterial ein faseriges Substrat auf der Basis von Kohlenstoff-Fasern auf, das der Verstärkung dient, und eine kohlenstoffmatrize, die Pyrokohlenstoff enthält, und ist dadurch gekennzeichnet, daß

a) das faserige Substrat eine grobe Textur mit großdimensionierten Hohlräumen aufweist, deren Querschnitt größer als 0,1 mm² ist,

b) die Matrize Kohlenstoffschichten aus Pyrokohlenstoff enthält, die das faserige Substrat bedecken, sowie eine Kohlenstoffzellstruktur, die die großdimensionierten Hohlräume so auftei lt, daß Hohlräume mit offener Porosität und kleinen Dimensionen gebildet werden, d.h. mit einem Querschnitt von kleiner als 0,1 mm².

Die Anmelderin stellte fest, daß es für die Lösung der in der vorliegenden Anmeldung gestellten Aufgabe wesentlich ist:

- zum einen von einem Substrat grober Textur auszugehen, um dem C-C- Fertigverbundstoff hohe mechanische Leistungen, insbesondere hohe Schlagfestigkeit (Elastizität) zu verleihen,

- zum anderen eine erste Teilverdichtung nach dem CVD-Verfahren durchzuführen, um das faserige Substrat unter Freilassung von großdimensionierten offenen Porositäten mechanisch zu binden,

- und schließlich diese großdimensionierten offenen Porositäten unter Ausbildung einer Kohlenstoffzellstruktur aufzuteilen, welche aus einem mit Pyrokohlenstoff beschichteten Träger aus kohlenstoffhaltigem Material besteht, wobei der letztgenannte Punkt zur Erreichung der Ziele der Erfindung besonders wichtig ist und eine wesentliche Maßnahme der Erfindung darstellt.

Beschreibung der Figuren

Die Figuren 1a bzw. 1b zeigen schematisch ein Substrat mit feiner Textur (1), das aus einer Verschlingung von Kohlenstoff-Fasern (1a) besteht, bzw. ein Substrat mit grober Textur (2) (Gewebe aus Kohlenstoff-Faser-Bändern (2a), das großdimensionierte Hohlräume (3) aufweist.

in den Figuren 1c und 1c' ist ein C-C-Verbundstoff (5) dargestellt, der durch Pyrokohlenstoffabscheidung hergestellt wird, wobei Figur 1c' zeigt, daß die Pyrokohlenstoffabscheidung durch Abscheidung aufeinanderfolgender Pyrokohlenstoffschichten an der Oberfläche der Kohlenstoff-Fasern erfolgt.

Die Figuren 1d und 1d' zeigen einen C-C-Verbundstoff (6), der durch Harzimprägnierung und Verkohlung hergestellt wird. Dabei bilden sich Kohlenstoffteilchen, die an den Fasern "festhängen" und im faserigen Substrat verteilt sind.

Figur 2 zeigt schematisch eine Photographie eines Querschnitts durch einen Verbundstoff (5), mit dem alle erfindungsgemäßen Versuche durchgeführt wurden und der aus einem Substrat grober Textur aus Bändern (2a) besteht, welche mit Pyrokohlenstoffschichten (4) bedeckt sind. Auf dieser Schnittansicht ist ein großdimensionierter Hohlraum (3) zu erkennen, der länger als 3 mm ist.

Figur 3 stellt einen erfindungsgemäßen C-C-Verbundstoff dar und zeigt schematisch eine Photographie eines Querschnitts durch einen Verbundstoff (5) nach Ausbildung der genannten Zelistruktur, welche zur Bildung von Hohlräumen (9) mit geringen Abmessungen führt:

Das Bändersubstrat (2a) ist schraffiert und der die Kohlenstoffdeckschichten bildende Pyrokohlenstoffverbund (40) gestrichelt dargestellt, während die Wände (8) der Zellstrukur aus Pyrokohlenstoff durch Kreuze dargestellt sind. Diese Wände haben einen durch einen durchgezogenen Strich (10) angedeuteten Zentralbereich (Kern), der dem Ausgangsträger aus mehr oder weniger gebundenen Kohlenstoffteuchen entspricht, auf dem der Pyrokohlenstoff abgeschieden ist.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß enthalten die Wände (8) der Zeistruktur im Innern ein nicht gerichtetes Kohlenstoffmaterial und an der Oberfläche ein gerichtetes Material vom Typ Pyrokohlenstoff, welches mit den Deckschichten (40) verbunden ist.

In Figur 3 wird die erfindungsgemäße Wandstruktur gut veranschaulicht : der Kern (10) aus gerichtetem Kohlenstoffmaterial stellt in Massen- oder Volumenprozent ausgedrückt einen kleinen Teil der Wand (8) dar, die im wesentlichen aus Pyrokohlenstoff besteht.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in Figur 3 der Pyrokohlenstoff (40) (gestrichelt), der das Substrat grober Textur (2a) bedeckt, getrennt von dem Pyrokohlenstoff der Wände (8) (mit Kreuzen) dargestellt, aber in Wirklichkeit existiert natürlich keine Unterbrechung zwischen den wände bildenden Pyrokohlenstoffschichten und den das Substrat grober Textur bedeckenden Pyrokohlenstoff-Oberflächenschichten, was deutlich wird, wenn man das Herstellungsverfahren betrachtet:

Vereinfacht ausgedrückt, und wie es nachfolgend noch ausführlicher beschrieben wird, wird der das erfindungsgemäße Substrat grober Textur bedeckende Pyrokohlenstoff (40) zweimal abgeschieden, ein erstes Mal bei der anfänglichen Verdichtung des faserigen Substrats (Referenz (4) für diesen Pyrokohlenstoff), ein zweites Mal nach Erzeugung des nicht gerichteten Kohlenstoffmaterials (10) bei der Ausbildung der Zellstruktur. Damit wird verständlich, daß der die Wände (8) bildende Pyrokohlenstoff bedingt durch das erfindungsgemäße Verfahren zwangsläufig mit dem das faserige Substrat bedeckenden Pyrokohlenstoff verbunden ist.

Erfindungsgemäß wird das nicht gerichtete Material im Innern durch Verkohung eines kohlenstoffreichen Harzes, eines Pechs, eines schweren Kohlenwasserstoffes oder eines filmbildendes Stoffes hergestellt.

Das erfindungsgemäße C-C-Verbundstoffmaterial mit seiner Zelistruktur weist folgende Zusammensetzung auf (in Vol-%):

- Faseriges Substrat : 20 - 40 %

- Pyrokohlenstoff-Deckschicht (40) : 40 - 60 %

- Kohlenstoffzellstruktur : 5 - 20 %

- Restporosität : 5 - 15 %

Erfindungsgemäß besteht das faserige Substrat (2a) grober Textur aus Kohlenstoff-Faserbändern mit mehr als 1000 Fäden und liegt entweder in Form von Geweben oder in Form von Bändern vor, welche auf eine Länge von mehr als 3 mm zugeschnitten und beliebig verteilt sind, wobei die Schnittpunkte der Bänder oder ihre Stapel zu Porositäten mit einem Querschnitt von mindestens 10&supmin;¹ mm² führen.

Die Deckschichten (40) aus Pyrokohlenstoff weisen eine Dicke von 50 bis 100 um auf.

Die Kohlenstoff-Querwände, die die Zelistruktur bilden und die großdimensionierten Hohlräume aufteilen, sind 10 bis 60 um dick und führen zur Ausbildung von kleindimensionierten Hohlräumen, die im Schnitt einen mittleren Querschnitt von 10&supmin;2 bis 10&supmin;¹ mm² aufweisen.

Je nach den Einsatzbedingungen bei der Bremsung ist das erfindungsgemäße Material graphitisiert oder nicht.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffmaterials aus Kohlenstoff-Kohlenstoff (C-C) durch Verdichtung eines faserigen Substrats aus Kohlenstoff-Fasern oder Kohlenstoff-Faser Zwischenstoffen, umfassend eine Verdichtungsphase durch Erzeugung von pyrolytischem Kohlenstoff und dadurch gekennzeichnet, daß:

a) ein faseriges Substrat grober Textur gewählt und so komprimiert wird, daß der Volumenanteil des Substrats 20 bis 40 % beträgt,

b) eine partielle Verdichtung durchgeführt wird, indem Pyrokohlenstoff auf das faserige Substrat grober Textur abgeschieden wird, so daß Pyrokohlenstoffschichten entstehen, die das faserige Substrat bedecken und somit eine starke Haftfestigkeit des faserigen Substrats gewährleistet wird, und ein C-C-Verbundstoff hergestellt wird mit einem Volumenanteil an Pyrokohlenstoff von 40 bis 60 % und großdimensionierten länglichen Hohlräumen von mindestens 0,1 mm² Querschnitt mit offener Porosität,

c) eine Zellstruktur gebildet wird; indem das in b) erhaltene Material einer ersten Imprägnierung mit einer verdünnten Lösung aus einem Stoff der Gruppe kohlenstoffreiches Harz, Pech, schwerer Kohlenwasserstoff oder filmbildender Stoff unterworfen wird, an die sich nach erfolgter Polymerisierung und/oder Verkohlung des Stoffes eine Imprägnierung mit einer Pyrokohlenstoffabscheidung mit einem Volumengehalt von 5 bis 20 % anschließt, die die Verbindung mit den Pyrokohlenstoffschichten sicherstellt, so daß die großdimensionierten Hohlräume aufgeteilt werden und ein starres C-C-Verbundstoffmaterial mit kleindimensionierten Hohlräumen, d.h. mit einem Querschnitt von kleiner als 0,1 mm², und mit offener Porosität von 5 bis 15 % (Vol.-%) erhalten wird.

In der Phase c) des Verfahrens wird der Kern der Zelistruktur gebildet, indem der in b) erhaltene C-C-Verbundstoff mit einer verdünnten, vorzugsweise wässrigen Lösung imprägniert wird, die aus einem Stoff besteht, welcher geeignet ist, nach Beseitigung der leicht flüchtigen Elemente der flüssigen Lösung und Verkohlung typischerweise zweidimensionale Stoffanordnungen zu erzeugen, die einer Wand mit einer geringen Stärke von typischerweise weniger als 1 um entsprechen.

Der in Phase c) verwendete Stoff ist aus der Gruppe der natürlichen oder synthetischen, vorzugweise in Wasser löslichen organischen Polymere gewählt.

Wie bereits erwähnt, wird in der Phase c) des Verfahrens eine Zelistruktur gebildet, deren Wände im wesentlichen aus Pyrokohlenstoff bestehen und 10 bis 60 um dick stark sind und sich fest mit den Pyrokohlenstoffschichten, die das faserige Substrat bedecken, verbinden.

Je nach Anwendung, insbesondere wenn durch die Bremsbedingungen die Temperatur des Reibungsmaterials während relativ langer Zeit auf über 600ºC ansteigt, kann der in Phase c) des Verfahrens hergestellte C-C-Verbundstoff einer Graphitisierungsbehandlung unterworfen werden.

Beispiele

Es werden drei vergleichende Versuche beschrieben. Die Versuche 1 und 2 wurden nach älterer Technik und Versuch 3 nach der Erfindung durchgeführt. Alle Versuche 1 bis 3 wurden an demselben C-C-Basisverbundstoff durchgeführt, der wie folgt erzeugt wurde:

- Zur Herstellung eines faserigen Substrats wurden Bänder mit mehr als 3000 Fäden aus PAN-Kohlenstoff-Faser auf eine Lange von 40 mm zugeschnitten, um eine beliebige Verteilung von größtenteils in horizontalen Ebenen ausgerichteten Bändern zu erhalten, und die zugeschnittenen Bänder dann komprimiert, um einen volumenbezogenen Faseranteil von 30 % zu erreichen.

In diesem Stadium ist das faserige Substrat durch sehr grobe Porositäten gekennzeichnet (es existieren großdimensionierte Hohlräume mit einem Querschnitt von über 0,1 mm²).

- Das so zubereitete (im komprimierten Zustand gehaltene) faserige Substrat wurde durch Pyrokohlenstoffabscheidung teilweise verdichtet, bis ein Stoff mit einer Dichte von 1,65 erhalten wurde. Dies entspricht praktisch einer ca. 50 um dicken Pyrokohlenstoffabscheidung um die Bänder herum. Diese Dicke ist gering, wenn man sie mit den Abmessungen der großen Hohlräume vergleicht, die länglich ausgebildet sind und eine Länge von typischerweise 1 mm oder mehr bei 0,2 mm Breite aufweisen, so daß die Größe der großdimensionierten Hohlräume durch die Teilverdichtung nicht wesentlich beeinträchtigt wird. Auf diese Weise wurde der C-C-Basisverbundstoff erhalten, der für die Versuche 1 bis 3 verwendet wurde.

Beispiel 1

Der C-C-Basisverbundstoff wurde durch zusätzliche Pyrokohlenstoffabscheidung weiterverdichtet, um eine Dichte von 1,75 zu erhalten. Es ergab sich ein ähnlicher C-C-Verbundstoff (Versuch 1) wie der C-C-Basisverbundstoff, nur die Pyrokohlenstoff-Deckschichten waren geringfügig dicker. Das erhaltene Material mit einer Dichte von 1,75 wurde schließlich einer Wärmebehandlung bei 2400ºC unterworfen.

Beispiel 2

Der C-C-Basisverbundstoff wurde mit Pech imprägniert und das Ganze wurde dann verkohlt.

Es ergab sich ein C-C-Verbundstoff mit einer Dichte von 1,75 (Versuch 2), bei dem festgestellt wurde, daß die anfänglich großen Hohlräume dicke Teilchen aus hartem Kohlenstoff ohne Verbindung mit den Pyrokohlenstoff- Deckschichten enthielten.

Wie in Beispiel 1 wurde das Material bei 2400ºC wärmebehandelt

Beispiel 3

Der C-C-Basisverbundstoff wurde mit einer mit 10 Vol.-%igem Phenolharz verdünnten wässrigen Lösung imprägniert.

Nach Wasserverdunstung, Polymerisierung bei Umgebungstemperatur und Verkohlung ergab sich ein C-C-Verbundstoff, bei dem die anfänglich großen Hohlräume kleine Kohlenstoffteilchen enthielten, die mehr oder weniger miteinander verbunden waren und dabei eine Anordung zweidimensionalen Typs (10) (Kern der Zellstruktur) bildeten, die die anfänglich großen Hohlräume aufteilte.

Danach wurde mit Gas eine zweite Kohlenstoffabscheidung (Pyrokohlenstoff) auf allen zugänglichen Oberflächen durchgeführt, also auch auf der Anordnung zweidimensionalen Typs (Kern), um auf diese Weise eine Zellstruktur auszubilden, deren Wände (8) (pyrokohlenstoffbeschichteter Kern) mit den Wänden der anfänglich großen Hohlräume verbunden sind.

Die Wände der Zellstruktur sind typischerweise 40 um dick (größtenteils Pyrokohlenstoff) und hängen mit den Pyrokohlenstoffschichten, die die Bänder bedecken, fest zusammen, so daß die grobe Porosität des C-C-Ausgangsverbundstoffes durch eine feine (zellige), aber immer noch offene Porosität ersetzt wurde.

Auf diese Weise entstand ein "abgeschlagener" C-C-Verbundstoff mit einer Dichte von 1,75 (Versuch 3).

Wie bei den Beispielen 1 und 2 wurde das erhaltene Material einer abschließenden Wärmebehandlung bei 2400ºC unterworfen.

Kennzeichnung der hergestellten C-C-Verbundstoffe

Aus jedem C-C-Verbundstoff der Beispiele 1 bis 3 wurden Bremsscheiben hergestellt (Durchmesser 1201100 mm).

Versuchsbedingungen:

Es werden zwei aneinanderreibende Scheiben (aus dem gleichen C-C- Verbundstoff) verwendet, um unter unterschiedlichen Geschwindigkeits- und Druckbedingungen an der Grenzfläche der beiden Scheiben ein Trägheitsschwungrad (3,5 kg.m²) abzubremsen (Bremssimulation):

Dabei wurde der durchschnittliche Scheibenverschleiß je Seite und je Abbremsung gemessen.

Die Verschleißwerte sind ohne Einheit angegeben : die Bremsscheibe von Versuch 1 mit der Versuchsbedingung "a" erhält willkürlich den Verschleißwert 1, die anderen Verschleißwerte sind proportional.

Untersucht man dabei prioritär geringfügige Verschleißerscheinungen unter Abbremsbedingungen mit niedrigem Energieaufwand, die bei Flugzeugen mit Abstand am häufigsten im Einsatz vorkommen, sind die erfindungsgemäßen Bremsen (Versuch 3) sehr leistungsfähig.

Festzustellen ist, daß die Bremse von Versuch 2 bei niedrigem Energieaufwand eine sehr gute Verschleißfestigkeit aufweist, diese Leistungen jedoch sehr stark und in störender Weise abfallen, sobald die beim Bremsen eingesetzte Energie erhöht wird (d.h. auf seltenere, aber nicht außergewöhnliche Energiestufen).

Gemäß einer Hypothese der Anmelderin sind die im Hinblick auf den Verschleiß sehr schlechten Leistungen der Bremsen von Versuch 2 möglicherweise auf die Anwesenheit von dicken Teilchen aus hartem Kohlenstoff in den großen Hohlräumen zurückzuführen.

Im Gegensatz dazu wird der entscheidende Vorteil der Aufteilung der groben Porositäten (große Hohlräume) deutlich, die eine durch die Wände aufgeteilte Porosität bewirkt, was ein wesentliches Element der Erfindung darstellt, die sich dadurch von der älteren Technik unterscheidet.

Diese Versuqhe zeigen somit, daß die Erfindung die Vorteile der Bremsen aus den Versuchen 1 und 2 älterer Technik miteinander kombiniert und geringe Verschleißerscheinungen sowohl im niedrigen als auch im hohen Bremsenergiebereich ermöglicht, während die ältere Technik dies nur im einen oder anderen Bereich ermöglichte.

Zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften wurde eine Elastizitätsmessung der in den Beispielen 1 bis 3 erhaltenen C-C-Verbundstoffe durchgeführt (Messung mit dem Charpy-Fallhammer). Die erhaltenen Elastizitätswerte lagen alle im Bereich von 13 bis 25 kJ/m².

Diese Werte sind mit den Werten zu vergleichen, die mit den vergleichend zu den Versuchen 1 bis 3 durchgeführten Versuchen erhalten wurden, in denen jedoch das faserige Substrat grober Textur durch eine faseriges Substrat feiner Textur (Einzelfasermatte) ersetzt wurde. Mit einem Substrat feiner Textur wurden Elastizitätswerte von 1 bis 3 kJ/m² erhalten, also Werte, die typischerweise zehnmal niedriger sind als die mit einem Substrat grober Textur erzielten Werte.

Was die Stabilität des Reibungskoeffizienten während der Bremsung betrifft, wurde mit dem erfindungsgemäßen C-C-Verbundstoffmaterial während desselben Bremssvorgangs typischerweise einerseits ein Verhältnis von 1,3 zu 1,5 zwischen dem größten und dem mittleren Koeffizienten und andererseits eine Veränderung des mittleren Reibungskoeffizienten um den Faktor 1,8 zwischen den Bedingungen "a" und "e" festgestellt.

Dagegen wurde mit dem Material der Versuche 1 und 2 älterer Technik während desselben Bremsvorgangs ein Verhältnis von 1,5 zwischen dem größten und dem mittleren Koeffizienten, jedoch eine erhebliche Veränderung (x 2,3) zwischen den Bedingungen "a" und "e" festgestellt.

Ferner wurden vergleichende Versuche zu den Versuchen 1 bis 3 durchgeführt, jedoch ohne Wärmebehandlung bei über 1600ºC. Dabei wurde unter Bremsbedingungen mit geringem Energieaufwand festgestellt, daß die Stabilität des Reibungskoeffizienten bei den erfindungsgemäßen Reibungswerkstoffen größer ist. Werden sie jedoch unter Bremsbedingungen mit hohem Energieaufwand eingesetzt, weisen alle diese Werkstoffe (Versuche 1 bis 3, jedoch ohne Wärmebehandlung) starke Verschleißerscheinungen auf.

Verglichen mit der älteren Technik besitzen folglich die nach der Erfindung hergestellten Bremsen eine gute Verschleißfestigkeit in einem sehr weiten Energiebereich, mit geringen Abweichungen vom Reibungskoeffizienten zwischen Bremsbedingungen mit hohem und niedrigem Energieaufwend und mit guter Stabilität des Bremsmoments während desselben Bremsvorgangs, Leistungen, die mit den Produkten und Verfahren älterer Technik nicht erreichbar waren.

Vorteile der Erfindung

Abgesehen von den vorgenannten Vorteilen im Zusammenhang mit dem Verhalten des erfindungsgemäßen C-C-Verbundstoffreibungsmaterials, weist die Erfindung auch Vorteile hinsichtlich des Herstellungsverfahrens auf.

Einerseits ist es in der Tat besonders günstig, ein Reibungsmaterial unter ausschließlicher Verwendung eines Substrats grober Textur herstellen zu können, da die anfängliche Teilverdichtung durch Pyrokohlenstoffabscheidung auf ein Substrat grober Textur dadurch besonders wirtschaftlich ist, daß der Zugang zum Kern des Substrats sehr gut ist (Vorhandensein von großen Hohlräumen) und hohe Pyrokohlenstoffabscheidungsgeschwindigkeiten zuläßt, ohne daß die Gefahr besteht, daß sich Krusten auf den Oberflächen bilden und große Dichtegradienten zwischen der Oberfläche und dem Kern des Material entstehen.

Andererseits wird bei der zweiten Pyrokohlenstoffabscheidung zur Ausbildung der Zelistrukturwände durch einen bereits vorhandenen aufgeteilten Träger (10) (Kern) eine sehr große spezifische Oberfläche gewährleistet, die eine schnelle Verfestigung der Masse begünstigt (Bildung von Pyrokohlenstoff), welche Verfestigung typischerweise doppelt so schnell erfolgt wie bei Nichtvorhandensein eines den Kern bildenden aufgeteilten Trägers (10).


Anspruch[de]

1. Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundstoffmaterial mit einem faserigen Substrat auf der Basis von Kohlenstoff-Fasern, das der Verstärkung dient, und einer Kohlenstoffmatrize, die Pyrokohlenstoff enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

a) das faserige Substrat eine grobe Textur mit großdimensionierten Hohlräumen aufweist, deren Querschnitt größer ist als 0,1 mm²,

b) die Matrize Kohlenstoffschichten aus Pyrokohlenstoff, die das faserige Substrat bedecken, und eine Kohlenstoffzellstruktur enthält, die die großdimensionierten Hohlräume so aufteilt, daß Hohlräume mit offener Porosität und kleinen Dimensionen gebildet werden, d.h. mit einem Querschnitt von kleiner als 0,1 mm².

2. Material nach Anspruch 1, bei dem die Wände der Zellstruktur im Innern ein nicht gerichtetes Kohlenstoffmaterial und an der Oberfläche ein gerichtetes Material vom Typ Pyrokohlenstoff enthalten, welches mit den Deckschichten verbunden ist.

3. Material nach Anspruch 2, bei dem das nicht gerichtete Material im Innern durch Verkohlung eines kohlenstoffreichen Harzes oder eines Pechs oder eines schweren Kohlenwasserstoffes oder eines filmbildenden Stoffes hergestellt wird.

4. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der Zusammensetzung (in Vol.-%):

- Faseriges Substrat : 20-40 %

- Pyrokohlenstoff-Deckschicht : 40-60 %

- Kohlenstoffzellstruktur : 5-20 %

- Restporosität : 5 - 15 %

5. Material nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das faserige Substrat grober Textur aus Kohlenstoff-Faserbändern mit mehr als 1000 Fäden besteht und entweder in Form von Geweben oder in Form von Bändern vorliegt, welche auf eine Länge von mehr als 3 mm zugeschnitten und beliebig verteilt sind, wobei die Schnittpunkte der Bänder oder ihre Stapel zu Porositäten mit einem Querschnitt von mindestens 10&supmin;¹ mm² führen.

6. Material nach Anspruch 5, bei dem die Deckschichten eine Dicke von 50 bis 100 um und die Wände der Zellstruktur ein Dicke von 10 bis 60 um aufweisen.

7. Material nach Anspruch 6, bei dem der kleindimensionierte Hohlraum im Schnitt einen mittleren Querschnitt von 10&supmin;² bis 10&supmin;¹ mm² aufweist.

8. Material nach einem der Msprüche 1 bis 7, bei dem die Kohlenstoffmatrize graphitisiert ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Verbundstoffmaterials aus Kohlenstoff- Kohlenstoff (C-C) durch Verdichtung eines faserigen Substrats aus Kohlenstoff-Fasern oder Kohlenstoff-Faser-Zwischenstoffen, mit einer Verdichtungsphase durch Bildung von pyrolytischem Kohlenstoff (Pyrokohlenstoff), dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein faseriges Substrat grober Textur gewählt und so komprimiert wird, daß der Volumengehalt des Substrats 20 bis 40 % beträgt,

b) eine partielle Verdichtung durchgeführt wird, indem Pyrokohlenstoff auf das faserige Substrat grober Textur abgeschieden wird, so daß Pyrokohlenstoffschichten entstehen, die das faserige Substrat bedecken und somit eine starke Haftfestigkeit des faserigen Substrats gewährleistet wird, und ein C-C-Verbundstoff hergestellt wird mit einem Volumengehalt an Pyrokohlenstoff von 40 bis 60 % und großdimensionierten länglichen Hohlräumen von mindestens 0,1 mm² Querschnitt mit offener Porosität,

c) eine Zeitruktur gebildet wird, indem das in b) erhaltene Material einer ersten Imprägnierung mit einer verdünnten Lösung aus einem Stoff der Gruppe kohlenstoffreiches Harz, Pech, schwerer Kohlenwasserstoff oder filmbildender Stoff unterworfen wird, an die sich nach erfolgter Polymerisierung und/oder Verkohlung des Stoffes eine Imprägnierung mit einer Pyrokohlenstoffabscheidung mit einem Volumengehalt von 5 bis 20 % anschließt, die die Verbindung mit den Pyrokohlenstoffschichten sicherstellt, so daß die großdimensionierten Hohlräume aufgeteilt werden und ein starres C-C-Verbundstoffmaterial mit kleindimensionierten Hohlräumen, d.h. mit einem Querschnitt von kleiner als 0,1 mm², und mit offener Porosität von 5 bis 15 % (Vol.-%) erhalten wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das C-C-Verbundstoffmaterial einer Graphitisierungsbehandlung unterworfen wird.







IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com