PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE19612211C2 25.05.2000
Titel Sandwichstruktur
Anmelder Isola AG, 52353 Düren, DE
Erfinder Gabrisch, Hans-Joachim, 52393 Hürtgenwald, DE;
Zwart, Marteen de, Dr., Bottenwil, CH;
Rudin, Markus, Reigoldswil, CH
Vertreter TER MEER STEINMEISTER & Partner GbR Patentanwälte, 81679 München
DE-Anmeldedatum 27.03.1996
DE-Aktenzeichen 19612211
Offenlegungstag 02.10.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 25.05.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.05.2000
IPC-Hauptklasse B32B 27/04
IPC-Nebenklasse B32B 27/38   B32B 27/42   B32B 25/02   B32B 3/12   D06N 7/00   B32B 27/12   B29C 70/08   B32B 5/18   B29C 70/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sandwichstruktur mit Honigwaben- und/oder Schaumstoffkernmaterial und Deckschichten, wobei das Kernmaterial mit den Deckschichten durch ein selbstklebendes Prepreg auf der Grundlage eines harzimprägnierten Faserträgermaterials verbunden ist.

Für die Herstellung von Primärstrukturen, die beispielsweise in der Luftfahrt eingesetzt werden, beispielsweise von Rumpf, Zelle, Flügel, Leitwerke, Rotoren etc. finden heutzutage mehr und mehr Sandwichkonstruktionen auf der Basis von Honigwaben-Kernmaterialien - (Nomex®-Honeycomb) und/oder Schaumstoff-Kernmaterialien und faserverstärkten Decklagen Anwendung. Die mechanischen Eigenschaften solcher Sandwichkonstruktionen hängen sehr stark von der Bindung der Decklagen an das Kernmaterial ab. Bei der Herstellung von leichten und hochsteifen Primärstrukturen dieser Art wird vornehmlich ein mit Kohlenstoffasern (Carbonfasern) verstärktes Material eingesetzt, da sich hiermit hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei gleichzeitig niedrigem Gewicht erreichen lassen.

Eine für solche Anwendungszwecke ausreichend hohe Klebkraft der Decklagen an dem Kernmaterial ist dann gegeben, wenn beim Anschältest die Haftung zwischen dem Kernmaterial und der faserverstärkten Decklage so stark ist, daß das Kernmaterial in sich reißt und der Verbund Kernmaterial/Decklage erhalten bleibt. Heutzutage werden für solche Zwecke selbstklebende Prepreg-Systeme, das heißt mit einer Harzmatrix vorimprägnierte Fasergebilde eingesetzt, die Harzgehalte um 50 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht des Prepregs, aufweisen. Bei gleichem Harzgehalt in Gewichtsprozent ergibt sich bei einem Trägermaterial auf der Grundlage von Glasfasern ein volumenmäßig höherer Harzgehalt als bei einem Trägermaterial auf der Grundlage von Kohlenstoffasern, da die Kohlenstoffasern bei gleicher Masse ein deutlich höheres Volumen besitzen. Dies beieinträchtigt die Selbstklebeeingenschaften von Gebilden auf der Grundlage von Kohlenstoffasern.

Als Matrixmaterialien, die die oben angesprochenen Selbstklebeeigenschaften ermöglichen, werden heute überlicherweise zähmodifizierte Epoxidharze (toughened epoxy) angewandt. Allerdings sind die Harzsysteme, die für den Einsatz in Primärstrukturen für die Luftfahrt in Frage kommen, also die bei 180°C härtenden Systeme, und die auch bei erhöhten Temperaturen nach Feuchtesättigung noch die erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweisen, auf Grund der notwendigen hohen Vernetzungsdichte und der damit verbundenen hohen Sprödigkeit nicht mehr als selbstklebend einzustufen. Daher müssen solche Prepreg-Systeme nach dem Stand der Technik mittels sogenannter Klebefilme, die direkt auf das Kernmaterial aufgelegt werden, zu Sandwichkonstruktionen verarbeitet werden, um eine ausreichende Haftung der Decklagen zu gewährleisten. Diese Klebefilme besitzen jedoch den Nachteil, daß sie sehr schlechte mechanische Eigenschaften nach Feuchtsättigung und bei erhöhten Temperaturen ("hot wet"-Eigenschaften) aufweisen und darüber hinaus das Gewicht der Sandwichkonstruktion erhöhen, ohne jedoch selbst merklich zu einem Gewinn an Steifigkeit zu beitragen. Darüber hinaus sind solche Klebefilme kostspielig.

Aus Plastverarbeiter (24), 1973, Heft 9, S. 535-542, sind Sandwichbauteile bekannt, die aus einem Kernwerkstoff aus einem Wabenkern oder einem Schaumstoff und Standardprepregs bestehen, welche Standardprepregs über Klebeprepregs mit dem Kernwerkstoff verbunden sind. Diese Klebeprepregs bewirken zwar eine ausreichende Haftung zwischen Standardprepreg und Kernwerkstoff, führen jedoch zu Sandwichkonstruktionen mit unbefriedigenden mechanischen Eigenschaften, namentlich nach Feuchtsättigung bei erhöhter Temperatur.

Aus der DE 30 08 490 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von glasfaserverstärkten Pressmatten für die Fertigung von Kunststoffteilen bekannt, welches darin besteht in einem automatischen Fertigungsprozeß eine harzgetränkte Glasfasermatte oder einem harzgetränkte Roving mit Polyestervlies und Gießharz zu versehen und zwischen zwei Kunststoffolien als Schutzfolien unter Druck zu einer Pressmatte zu walzen. Da in diesem Fall zur Imprägnierung des Polyestervlieses ein Gießharz verwendet wird, ist eine unbefriedigende Imprägnierung des Polyestervlieses und damit eine ungleichmäßige Änderung des Verhältnisses von Harz zu Trägermaterial zu erwarten, weil das Gießharz nicht dazu in der Lage ist. Prepregs mit feinen, aber wohl definierten Unterschieden im Harz/Faserverhältnis zu ergeben.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Sandwichstruktur der Eingangs angebenen Gattung anzugeben, welche sehr gute mechanische Eigenschaften nach Feuchtsättigung auch bei erhöhter Temperatur (135°C) aufweist.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die Sandwichstruktur gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen bevorzugte Ausführungsformen dieser Sandwichstruktur.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Sandwichstruktur mit Honigwaben- und/oder Schaumstoff-Kernmaterial und Deckschichten, wobei das Kernmaterial mit den Deckschichten durch ein selbstklebendes Prepreg auf der Grundlage eines harzimprägnierten Faserträgermaterials verbunden ist, die dadurch gekennzeichnet ist, daß das Prepreg aus einer Kernschicht aus Faserträgermaterial und Oberflächenschichten bildendem Hilfsfasermaterial besteht, wobei das Faserträgermaterial der Kernschicht ein höheres Flächengewicht als das Hilfsfasermaterial besitzt und daß das Gewichtsverhältnis von Harz zu Fasermaterial in den Oberflächenschichten höher als in der Kernschicht ist, und daß der Fasermaterialaufbau aus Faserträger- und Hilfsfasermaterial mit einem hitzehärtbaren Harz imprägniert und das Harz in den B-Zustand überführt wurde.

Das zur Bildung der erfindungsgemäßen Sandwichstruktur verwendete Prepreg trägt auf einem Kernbereich mindestens einen Oberflächenbereich mit einem höheren Verhältnis von Harz zu Trägermaterial, wobei dieses Verhältnis auf das Gewicht bezogen ist. Somit besitzt der Kernbereich in der Mitte des Prepregs ein kleineres Harz/Faserträgermaterial-Gewichtsverhältnis als mindestens einer der darauf angeordneten Oberflächenbereiche im Bereich der Aussenseiten des Prepregs. Natürlich kann das erfindungsgemäß eingesetzte Prepreg dann, wenn es als Mittellage zwischen zwei Honigwaben-Kernmaterialstrukturen eingebettet wird, auf beiden Oberflächen eine solche harzreichere Schicht aufweisen.

Dieses Prepreg umfaßt somit ein harzimprägniertes Faserträgermaterial, das auf mindestens einer Oberfläche eine Schicht aus einem harzimprägnierten leichtgewichtigen Hilfsfasermaterial zur Bildung einer harzreichen Schicht aufweist, welches einen höheren Harzanteil aufnehmen kann, als es das für die Kernlage (n) verwendete Faserträgermaterial kann.

Demzufolge besitzt das leichtgewichtige Hilfsfasermaterial ein geringeres Flächengewicht als das Faserträgermaterial der Kernschicht des Prepregs, beispielsweise ein Flächengewicht von 15 bis 200 g/m2, vorzugsweise von 20 bis 50 g/m2. Demgegenüber besitzt das Faserträgermaterial ein Flächengewicht von 20 bis 1200 g/m2, vorzugsweise von 50 bis 600 g/m2 und noch bevorzugter von 60 bis 300 g/m2. Insbesondere werden Kohlenstoffasergewebe mit Flächengewichten von 80 bis 700 g/m2, vorzugsweise von 90 bis 285 g/m2, Glasgewebe mit Flächengewichten von 20 bis 1200 g/m2, vorzugsweise von 50 bis 600 g/m2, oder Aramidgewebe mit Flächengewichten von 35 bis 770 g/m2, vorzugsweise von 60 bis 230 g/m2 eingesetzt.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das leichtgewichtige Hilfsfasermaterial aus gebundenen Kurzfasern, vorzugsweise einem Vlies, und/oder aus weitmaschig verbundenen Endlosfasern, vorzugsweise einem Tüll oder einem anderen textilen Gewirk oder Geflecht aus Kunststoffasern, Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern und/oder Gemischen oder Hybriden daraus, das bzw. der auf der Oberfläche des eigentlichen Faserträgermaterials aufgebracht ist, welch letzteres in Form eines Gewebes, eines Multiaxialgewebes, eines unidirektionalen Bandes eines Fadengeleges und/oder eines Gewirks vorliegt.

Als Materialien sowohl für das Faserträgermaterial als auch für das leichtgewichtige Hilfsfasermaterial können übliche Fasermaterialien eingesetzt werden, welche die erforderliche Festigkeit und Warmfesteigenschaften besitzen, beispielsweise Polyester, Glas, Kohlenstoff, Aramid und/oder Gemische oder Hybride daraus. Die Fasern können einzeln oder auch in Form von Gemischen in beliebiger Oberflächenbindung eingesetzt werden.

Wesentlich ist lediglich, daß das Prepreg an der Oberfläche, die mit dem Kernmaterial der Sandwichstruktur verbunden ist, einen höheren Harzanteil aufweist als in dem übrigen Bereich des Prepregs. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung steigt somit der Harzanteil des Prepregs von der Mitte des Materials zumindestens einer Oberfläche hin an, wobei dieser Anstieg kontinuierlich oder diskontinuierlich (stufenförmig) sein kann.

Vorzugsweise besitzt das imprägnierte Faserträgermaterial einen Harzgehalt von 10 bis 50 Gew.-%, noch bevorzugter von 20 bis 50 Gew.-% und entsprechend einen Faseranteil von 90 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise von 80 bis 50 Gew.-%, während das imprägnierte Hilfsfasermaterial einen Harzgehalt von 50 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise von 50 bis 80 Gew.-% und entsprechend einen Faseranteil von 10 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise von 20 bis 50 Gew.-% aufweist.

Vorzugsweise verteilt sich der Harzanteil so, daß er etwa 30 Gew.-% im Faserträgermaterial und entsprechend etwa 70 Gew.-% im Hilfsfasermaterial beträgt. Während somit nach der vorliegenden Lehre das Gewichtsverhältnis von Harz zu Fasern im Kern des Prepregs geringer ist als auf den Oberflächen, enthalten herkömmliche Prepreg-Systeme dieser Art das Harz in homogener Verteilung.

Die Herstellung des eingesetzten Prepregs erfolgt in der Weise, daß auf der Oberfläche des Faserträgermaterials ein leichtgewichtiges Hilfsfasermaterial, beispielsweise in Form eines Vlieses und/oder Tülls aufgebracht wird und das in dieser Weise erhaltene Fasergefüge mit dem Matrixharz imprägniert und getrocknet wird. Vorzugsweise wird das imprägnierende Harz bis zur B-Stufe vorgehärtet und kann dann bei der Herstellung der eigentlichen Sandwichkonstruktion unter Einwirkung von Wärme und Druck endgültig und vollständig ausgehärtet werden.

Bei dem Prepreg sind die Fasermaterialien des Trägermaterials und des leichtgewichtigen Hilfsfasermaterials mit einem oder mehrern hochvernetzenden Duromeren imprägniert, das heißt hitzehärtbaren Harzen, welche neben dem eigentlichen härtbaren Harz übliche Bestandteile, wie Härter, Härtungsbeschleuniger, Flammschutzmittel, die mechanischen Eigenschaften modifizierende Mittel etc. enthalten können.

Durch den Aufbau des Prepregs mit der harzreichen Oberflächenschicht ergibt das Prepreg-System auch bei Gesamt-Harzgehalten unterhalb 50 Gew.-%, beispielsweise von 40 bis 50 Gew.-% oder auch darunter die erforderlichen Selbstklebe- und Haftungs-Eigenschaften, so daß es auch bei der Verwendung von Kohlenstoffasern in dem Fasermaterial des Prepregs und gegebenenfalls auch des Kernmaterials ohne die Anwendung von Klebefilmen gelingt, qualitativ hochwertige Sachwichkonstruktionen zu erzeugen.

Vorzugsweise sind die Trägermaterialien des eingesetzten Prepregs mit einem oder mehreren hochvernetzenden Duromeren imprägniert, das nach der Aushärtung eine Glasübergangstemperatur (Tg) von mehr als 180°C, vorzugsweise von mehr als 200°C, und eine Glasübergangstemperatur nach Feuchtsättigung von mehr als 135°C aufweist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Lehre weist das Prepreg einen Gehalt an hochvernetzenden Duromeren von 20 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise von 40 bis 50 Gew.-%, noch bevorzugter von 35 bis 45 Gew.-% auf.

Mit Vorteil umfaßt das Prepreg als Duromer ein Phenolharz, ein Epoxidharz, ein Bismaleinimidharz, ein Triazinharz und/oder ein Cyanatesterharz. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält das hochvernetzende Duromere ein zähmodifiziertes Harz, beispielsweise ein mit einem Kautschuk modifiziertes Epoxidharz, um in dieser Weise weiter verbesserte Haftungseigenschaften zu erzielen.

Die Menge des Epoxidharzes, die dem Basis-Duromer zudosiert werden kann, hängt primär von der Ausgangs-Glasübergangstemperatur des Basisharzes ab. Je höher diese liegt, umso mehr Epoxidharz kann in der Regel zugemischt werden. Erfindungsgemäß werden jedoch ausreichende Selbstklebeeigenschaften durch die harzreiche Oberflächenschicht des Prepregs erzielt.

Während sich deutliche Unterschiede in den mechanischen Eigenschaften und den Eigenschaften nach Feuchtsättigung ergeben, wenn Laminate alternierend aus warm-feucht-tauglichen Systemen mit Klebefilmschichten aufgebaut sind, zeigen die aus dem Prepreg-System und reinen Kohlenstoffaser-Gewebelagen aufgebauten Laminate unverändert gute mechanische Eigenschaften.

Die unter Verwendung dieses Prepregs und Honigwaben-Kernmaterialien hergestellten erfindungsgemäßen Sandwichkonstruktionen - bei deren Aufbau die harzreiche Oberflächenschicht des Prepregs dem Honigwaben- Kernmaterial zugewandt wird - zeigen beim Schälversuch das angestrebte Verhalten, daß nämlich das Honigwaben-Kernmaterial in sich reißt und der Verbund Decklage/Kernmaterial erhalten bleibt.

Das erfindungsgemäß eingesetzte Prepreg ermöglicht somit sehr gute Warmfeucht- und Selbstklebe-Eigenschaften bei der Herstellung von Sandwichkonstruktionen und andererseits gute Hafteigenschaften, so daß qualitativ hochwertige Sandwichkonstruktionen für die Luftfahrt erhalten werden.

Das folgende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel

Als Faserträgermaterial wird ein Kohlenstoffasergewebe mit einem Flächengewicht von 225 g/m2 eingesetzt, welches einseitig mit einer Glasvliesauflage mit einem Flächengewicht von 34 g/m2 versehen ist.

Dieses Fasermaterial wird mit der nachfolgend angegebenen Komponentenmischung imprägniert:





Die Imprägnierung erfolgt mit einer Auftragsmenge von 210 g/m2 in klassischer Weise mit Hilfe einer Vertikalbeschichtungsvorrichtung unter Entferung des Lösungsmittels (Methylethylketon) und unter Überführung der Matrix in den B-Zustand. Es resultiert ein Prepregflächengewicht von 470 g/m2, was einem Gesamt-Harzgehalt von 45 Gew.-% entspricht.

Unter Verwendung des in dieser Weise erhaltenen Prepregs und eines Waben-Kernmaterials (Nomex®) mit einer Zellweite von 3,2 mm, einem Raumgewicht von 48 kg/m3 und einer Dicke von 9 mm wird ein Sandwichaufbau hergestellt. Es werden je zwei Decklagen des Prepregs aufgebracht, wobei die erste Lage 0°/90° und die zweite Lage ±45° verlegt werden. Das Verpressen erfolgt während zwei Stunden bei 3,5 bar und 180°C.

Eigenschaften des Sandwichaufbaus:

Sollwert für den Wabenbruch beim Schälversuch: > 35 Nmm/mm

Istwert beim Schälversuch: 37 Nmm/mm unter Wabenbruch.

Ein zu Vergleichszwecken ohne das Hilfsfasermaterial hergestellter Sandwichaufbau erreicht bei identischer Harzrezeptur und gleichem Harzgehalt einen Istwert beim Schälversuch von lediglich 25 Nmm/mm, wobei sich die Decklagen vom Wabenkern lösen ohne daß dieser bricht.

In den übrigen mechanischen Eigenschaften, wie Biegefestigkeit, interlaminare Schälfestigkeit, Druckfestigkeit und Zugfestigkeit (gemessen an Vollaminaten) sind die mit dem erfindungsgemäßen Prepreg-System hergestellten Verbundkörper den herkömmlich hergestellten gleichwertig.


Anspruch[de]
  1. 1. Sandwichstruktur mit Honigwaben- und/oder Schaumstoff-Kernmaterial und Deckschichten, wobei das Kernmaterial mit den Deckschichten durch ein selbstklebendes Prepreg auf der Grundtage eines harzimprägnierten Faserträgermaterials verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Prepreg aus einer Kernschicht aus Faserträgermaterial und Oberflächenschichten bildendem Hilfsfasermaterial besteht, wobei das Faserträgermaterial der Kernschicht ein höheres Flächengewicht als das Hilfsfasermaterial besitzt und daß das Gewichtsverhältnis von Harz zu Fasermaterial in den Oberflächenschichten höher als in der Kernschicht ist, und daß der Fasermaterialaufbau aus Faserträger- und Hilfsfasermaterial mit einem hitzehärtbaren Harz imprägniert und das Harz in den B-Zustand überführt wurde.
  2. 2. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern des Faserträgermaterials und/oder des Hilfsfasermaterials Kunststoffasern. Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern und/oder Gemische oder Hybride daraus sind.
  3. 3. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß daß das Faserträgermaterial ein Flächengewicht von 20 bis 1200 g/m2, vorzugsweise von 50 bis 600 g/m2 und noch bevorzugter von 60 bis 300 g/m2 aufweist.
  4. 4. Sandwichstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Faserträgermaterial in Form eines Gewebes, eines Multiaxialgewebes, eines unidirektionalen Bandes und/oder eines Gewirks vorliegt.
  5. 5. Sandwichstruktur nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das leichtgewichtige Hilfsfasermaterial ein Flächengewicht von 15 bis 200 g/m2, vorzugsweise von 20 bis 50 g/m2 aufweist.
  6. 6. Sandwichstruktur nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das leichtgewichtige Hilfsfasermaterial aus gebundenen Kurzfasern, vorzugsweise einem Vlies, und/oder aus weitmaschig verbundenen Endlosfasern, vorzugsweise einem Tüll oder einem anderen textilen Gewirk oder Geflecht aus Kunststoffasern, Glasfasern, Kohlenstoffasern, Aramidfasern und/oder Gemischen oder Hybriden daraus besteht.
  7. 7. Sandwichstruktur nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das imprägnierte Faserträgermaterial einen Harzgehalt von 10 bis 50 Gew.-%, vorzugsweise von 20 bis 50 Gew.-% und das imprägnierte Hilfsfasermaterial entsprechend einen Harzgehalt von 50 bis 90 Gew.-%, vorzugsweise von 50 bis 80 Gew.-% aufweisen.
  8. 8. Sandwichstruktur nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägermaterialien mit einem oder mehreren hochvernetzenden Duromeren imprägniert sind, das nach der Aushärtung eine Glasübergangstemperatur (Tg) von mehr als 180°C, vorzugsweise von mehr als 200°C, und eine Glasübergangstemperatur nach Feuchtsättigung von mehr als 135°C aufweist.
  9. 9. Sandwichstruktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Prepreg einen Gehalt an hochvernetzenden Duromeren von 20 bis 60 Gew.-%, vorzugsweise von 40 bis 50 Gew.-% aufweist.
  10. 10. Sandwichstruktur nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Prepreg als Duromer ein Phenolharz, ein Epoxidharz, ein Bismaleinimidharz, ein Triazinharz und/oder ein Cyanatesterharz enthält.
  11. 11. Sandwichstruktur nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das hochvernetzende Duromer ein zäh modifiziertes Harz enthält.
  12. 12. Sandwichstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das zähmodifizierte Harz ein mit einem Kautschuk modifiziertes Epoxidharz ist.






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