DE3827126A1 - Hohler verbundkoerper mit einer symmetrieachse, sowie herstellungsverfahren hierfuer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Verbundwerkstoffe und näherhin gewichtsleichte, hochfeste Verbund-Formkörper um eine Symmetrieachse.

Verbundwerkstoff, d.h. ein aus Fasern hoher Zugfestigkeit, die in eine Matrix mit einem hohen Elastizitätsmodul eingebettet sind, hergestelltes Material hat sich auf einer Reihen von Gebieten, wie beispielsweise der Raumfahrt­ industrie als besonders bedeutsam erwiesen. Insbesondere haben Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundkörper mit einer Symmetrieachse Anwendungen in den kegelförmigen Spitzen oder Nasen ("nose-cones") von Raketen und Flugkörpern, in kegelförmigen Triebwerksaustrittsdüsen und anderen An­ wendungs-Umgebungen gefunden, wo geringes Gewicht bei hohen Hitzebeständigkeits-Eigenschaften erwünscht ist. Die Angabe "mit einer Symmetrieachse" in dem hier verwen­ deten Sinn soll sich nicht nur auf Körper mit zweiseitiger Symmetrie, wie beispielsweise Rotationskörper (beispiels­ weise Zylinder, Kegel und dergleichen) beziehen, sondern auch Körper mit nicht-kreisförmigen Querschnitten in einer Ebene senkrecht zur Symmetrieachse (d.h. abgeflach­ te, ovale, trapezoide und anderweitige Querschnitte) um­ fassen und insbesondere auch Rotationskörper und -gegen­ stände umfassen, in welchen andere verdichtete Kohlenstoff­ körper eingebaut sind oder eingebaut werden können.

Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung derartiger Körper aus Ver­ bundwerkstoffen umfaßt eine Extrusions- oder sonstige Formverarbeitung eines Gemischs aus Verstärkungsfasern oder -fäden und einem kohlenstoffhaltigen Bindemittel. Nach dem Aushärten des Bindemittels wird der Körper auf eine zur Karbonisierung oder Verkohlung des Bindemittels und/oder der Fäden ausreichende Temperatur erhitzt. Ein offensichtlicher Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß der so erhaltene Formkörper für viele Anwendungen zu schwer ist und die herstellungsmäßige Kontrolle der Wandstärke und der Dichte des Körpers schwierig ist.

Bei einem anderen herkömmlichen Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundbauteilen mit einer Symmetrieachse legt man typischerweise Lagen aus Gewebe auf einen Dorn auf, und imprägniert sodann wiederholt das Aufleggebilde mit einem flüssigen Imprägnierungsmittel, das bei ausreichender Erhitzung karbonisiert bzw. ver­ kohlt (d.h. in Kohlenstoff übergeführt) wird, und karbo­ nisiert das imprägnierte Aufleggebilde. Da jedoch viele Fasern mit sehr hohem Elastizitätsmodul, einschließlich Kohlenstoff-Fasern, sehr spröde und schwierig zu hand­ haben und häufig nur schwer direkt zu Gewebe webbar sind, wird das Gewebe häufig zunächst aus einer kohlenstoff­ haltigen Vorläuferfaser, wie beispielsweise Polyacryl­ nitril (PAN) gewebt und das Gewebe sodann anschließend karbonisiert. Ein derartiges Herstellungsverfahren für einen Verbundwerkstoffkörper erfordert einen hohen Sorg­ faltsaufwand beim Stapeln bzw. Auflegen der Lagen und bei der Aufbringung des Bindemittels, falls unerwünschte Schwankungen in der Wandungsstärke vermieden werden sollen. Es sei darauf hingewiesen, daß Fasern mit hohem Elasti­ zitätsmodul zur Herstellung von Vorformlingen verwendet worden sind, die sodann anschließend zur Herstellung von Verbundkörpern verdichtet wurden; diese Anwendung diente jedoch primär der Verringerung oder Minimierung von Riß-Bildungen während der Wärmebehandlung bei der Herstellung des Endprodukts.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Herstellung von Koh­ lenstoff/Kohlenstoff-Körpern um eine Symmetrieachse sieht ein Aufwickeln von Fasern in der Form von Fäden, Garnen, Bändern oder Filzen, und vorzugsweise in einer karboni­ sierten Form, um einen Dorn vor. Der Faserformkörper wird vor oder nach dem Aufwickeln mit einem Bindemittel unter Druck imprägniert, ausgehärtet und sodann karbonisiert, beispielsweise nach dem in der US-Patentschrift 39 17 884 beschriebenen Verfahren.

Bei noch einem anderen bekannten Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff/Kohlenstoff-Körpern um eine Symmetrie­ achse werden Kohlenstoff-Fasern über einen Dorn gemäß Polarkoordinaten zur Bildung eines Vorformlings gewebt. Der Vorformling wird sodann mit Bindemittel imprägniert und dieses sodann karbonisiert. Dieses Webverfahren gemäß Polarkoordinaten unterliegt vielen der allgemeinen oben mit Bezug auf das Weben von Fasern mit hohem Elastizitäts­ modul dargelegten Problemen.

Diese bekannten Verfahren sehen häufig die Aufbringung von Überschußmaterial vor, das nachträglich, gewöhnlich durch spanende Bearbeitung, wieder abgetragen werden muß, um die gewünschte Endkonfiguration zu erhalten. Bei dieser abschließenden Bearbeitung werden unvermeidlicherweise die Verstärkungs-Kohlenstoff-Fäden in dem Verbundwerkstoff durchschnitten oder unterbrochen, wodurch die Festigkeit und der Elastizitätsmodul beeinträchtigt werden, während gleichzeitig die Wirkungen kleiner Verzerrungen vergrößert werden. Insbesondere wenn es sich bei dem gewünschten Gegenstand ganz oder teilweise um einen Rotationskörper um eine Symmetrieachse (beispielsweise eine Raketenaus­ trittsdüse) handelt, kann die Bearbeitungsrotation äußerst kritisch werden. Falls die Faserachsen nicht genau mit der Schneidkante des Schneidwerkzeugs ausgerichtet sind, kann es dazu kommen, daß die Fasern sich zusammenballen oder sich ablösen oder auseinandergerissen werden. Selbst bei der richtigen Ausrichtung kann ein zu tief schneidender Bearbeitungsvorgang ein ähnliches Problem hervorrufen.

Typischerweise können im Verlauf der Verdichtung (d.h. ein oder mehrere zyklische Imprägnierungen mit einem Binde­ mittel mit nachfolgender entsprechender Karbonisierung) von nach dem Stand der Technik hergestellten Kohlenstoff/ Kohlenstoff-Gegenständen kleine Deformierungen entweder im Sinn einer Ausdehnung oder einer Zusammenziehung auf­ treten, und zwar infolge thermischer oder chemischer Änderungen in den Kohlenstoff-Fasern oder Fehlanpassungen zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten der Kohlenstoffmatrix und der Fasern.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Kohlenstoff/ Kohlenstoff-Körpern um eine Symmetrieachse sieht die An­ wendung von Flechttechniken vor. Flechten ist in der Textil­ technik ein altbekanntes Verfahren der Verbindung von Fasern zur Herstellung eines Faserwebgebildes, in welchem die Fasern symmetrisch um eine Achse orientiert sind. Nach dem Flechtvorgang können die Gegenstände sodann nach den herkömmlichen Verfahren verdichtet werden. Bei einem biaxialen Geflecht sind die Fasern unter Winkeln von +Φ und -Φ bezüglich der Flechtachse orientiert, wobei dieser Winkel entweder fest oder variabel sein kann. Bei einem triaxialen Geflecht findet eine parallel zur Flechtachse orientierte dritte Faserachse Anwendung. Ein biaxiales Flechtgebilde kann in einfacher Weise unter Anpassung an die Formkontour einer Oberfläche hergestellt werden, während ein triaxial geflochtenes Gebilde nicht in andere Formen umgeformt werden kann, sondern in der für das Enderzeugnis gewünschten endgültigen Form auf einen Formdorn aufgeflochten werden muß. Flechtmaschinen zur mechanischen Herstellung biaxialer und triaxialer Ge­ flechte aus Kohlenstoff-Fasern sind in den USA kommerziell von Firmen wie Rockwell International und New England Butt/ Wardell in Rhode Island verfügbar.

Der Erfindung liegt daher als Hauptaufgabe die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Hohlkörpern aus Ver­ bundwerkstoffen um eine Symmetrieachse zugrunde, bei dem die vorstehend geschilderten Probleme der bekannten Ver­ fahren vermieden werden.

Allgemein sieht die Erfindung zu diesem Zweck ein Kohlen­ stoff/Kohlenstoff-verstärktes Verbundmaterial vor, das aus einer eine oder mehrere Lagen geflochtener länglicher Kohlenstoff-Fäden enthaltenden karbonisierten Matrix besteht, wobei die Fäden aus Kohlenstoff von sehr hohem Elastizitätsmodul mit durchschnittlichen oder mittleren Durchmessern von 6 µm oder weniger bestehen. Ein derartiger Körper aus einem derartigen Material wird erfindungsgemäß nach einem Verfahren hergestellt, bei dem allgemein eine oder mehrere Lagen in aufeinanderfolgenden Schichten um ein Patrizen-Formwerkzeug gegebener Form aufgeflochten werden, zur Bildung eines trockenen Vor­ formlings, wobei dieses Patrizen-Formwerkzeug aus einem hitzebeständigen Material hergestellt ist; der so her­ gestellte trockene Vorformling wird auf dem Patrizen- Formwerkzeug zyklisch mit einem Kunstharz imprägniert und nach dieser Imprägnierung der Vorformling karbonisiert.

Durch die Erfindung wird somit ein Verfahren zur Her­ stellung eines hohlen Körpers aus Verbundmaterial um eine Symmetrieachse anhand gegeben, bei welchem der Hohlkörper aus thermisch stabilen Kohlenstoff-Fäden von hohem Elastizitätsmodul in die für das Enderzeugnis gewünschte Form über einen Dorn geflochten und anschließend verdichtet wird, derart daß ein hochstabiler Formkörper ohne das Erfordernis nachfolgender Bearbeitung erhalten wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können die thermisch stabilen Fäden einen mittleren Durchmesser von weniger als etwa 6 µm haben; die Flecht- und Verdich­ tungsschritte werden unter Verwendung des gleichen Form­ gebungs-Dorns ausgeführt; und insgesamt gestattet die Er­ findung mit verhältnismäßig geringen Kosten und hoher Genauigkeit die Herstellung eines gewichtsleichten, festen Hohlkörpers aus einem Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbund­ werkstoff.

Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Herstellungsverfah­ rens und des danach hergestellten Erzeugnisses, sowie bevorzugte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Ansprüche.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben; diese zeigt in schema­ tischer Darstellung einen Dorn gemäß der Erfindung mit einem darauf aufgebrachten geflochtenen Vorformling, teilweise in Querschnittansicht und teilweise aufgebrochen dargestellt.

Das Verfahren gemäß der Erfindung wird vorzugsweise in der Weise ausgeführt, daß man zunächst nach einem beliebigen herkömmlichen Verfahren einen Patrizendorn entsprechend der für das Endprodukt gewünschten spezifischen Innen­ oberflächenkonfiguration und der entsprechenden Toleranzen herstellt. Der Dorn wird vorzugsweise aus einem hitze­ beständigen Material, wie beispielsweise Graphit, Metall, Keramik oder hochtemperaturfesten Polymeren, wie beispiels­ weise Polytetrafluoräthylen, hergestellt. Falls der Dorn aus Metall, Graphit oder Keramik besteht, wird er vorzugs­ weise zuvor mit einem Trennmittel überzogen um die leichte Abnahme des Dorns von dem nachträglich auf ihm geformten Vorformling zu ermöglichen. Bei Verwendung eines Dorns aus Polytetrafluoräthylen ist kein Trennmittel erforderlich. Häufig kann man auch einen Metalldorn mit solcher Form­ gebung herstellen, daß er vorgefertigte Graphitteile enthält, die in weiter unten beschriebener Weise in das danach hergestellte Endprodukt inkorporiert werden.

Nachdem der Dorn hergestellt und gegebenenfalls mit einem Trennüberzug versehen wurde, wird er auf einer herkömmli­ chen Flechtmaschine angeordnet und sodann eine gewünschte Anzahl von Lagen eines biaxialen oder triaxialen Geflechts von Strängen aus Kohlenstoff-(vorzugsweise Graphit-)Fasern oder -Fäden über dem Dorn geformt. Die für den Flechtvor­ gang verwendeten Fasern sind thermisch stabile, kontinuier­ liche Einzelfäden (monofilaments), die typischerweise aus Polyacrylnitril-(PAN)-Vorläuferfasern hergestellt sind. Wichtig ist, daß es sich bei den Fäden um (bei 2200°C oder darüber) graphitierte Fäden von hohem Elasti­ zitätsmodul (beispielsweise 45×10⁶ psi oder mehr) mit einem mittleren oder durchschnittlichen Durchmesser von etwa 6 Mikron oder weniger handelt. Derartige PAN-Fäden ermöglichen daß das Flechtgebilde während der gesamten anschließenden Wärmebehandlung des Vorformlings dimen­ sionsstabil verbleibt. Man erkennt, daß jeweils jede Lage sehr dünn ist, mit einer Dicke von nicht wesentlich mehr als etwa 12/1000 Zoll und vorzugsweise von weniger als etwa 6/1000 Zoll. Bei Anwendung einer triaxialen Flechtung, wird jeweils jede Lage gegenüber ihrer darunter befind­ lichen Lage versetzt (d.h. die axialen Fasern werden um einen kleinen radialen Winkel bezüglich der darunterlie­ genden Lage axialer Fasern versetzt), derart daß die Lagen sich ineinander verschachteln und ineinander schmie­ gen können, ohne daß es zur Ausbildung großer axialer Wulste oder Rillen kommt.

In der Zeichnung ist der Dorn 20 beispielshalber als ein konisches Element, etwa als Kegelstumpf mit einer Symmetrie­ achse (beispielshalber einer Rotationssymmetrieachse in diesem Fall) A-A gezeigt; jedoch kann der Dorn selbst­ verständlich vielfache andere Formgebungen erhalten, bei denen es sich um regelmäßige Formkörper wie beispiels­ weise Zylinder, oder aber um unregelmäßige Körper, wie etwa Hohlkörper von birnenförmigem Querschnitt und der­ gleichen handeln kann. In der Zeichnung sind mehrere aus Fäden 28 geflochtene Sagen 22, 24 und 26 gezeigt, und zwar in biaxialer Flechtform um den Dorn 20 herum; selbst­ verständlich sind die Dicke der Sagen und die Breite und die Abstände der geflochtenen Fäden aus Gründen der deutlicheren Darstellung sämtlich stark übertrieben. Die oberste Lage 26 veranschaulicht ein typisches Flecht­ gebilde, bei welchem der Flechtwinkel, Φ, der Fäden 28 bezüglich der Achse A-A angedeutet ist. Der erfindungs­ gemäße Formkörper kann auch so ausgeführt sein, daß einige oder sämtliche Lagen ein triaxiales Geflecht dar­ stellen, wobei in diesem Fall jeweils jede triaxiale Flechtlage zusätzlich mehrere in gleichen Abständen an­ geordnete axiale Verstärkungsfäden parallel zur Dorn­ oberfläche aufweisen würde.

Nachdem durch Aufflechten einer oder mehrerer Lagen über dem Dorn der für das Enderzeugnis gewünschte Formkörper mit den gewünschten strukturellen Eigenschaften und der gewünschten Dicke hergestellt ist, wird sodann der Vor­ formling mit einem karbonisierbaren flüssigen Imprägnie­ rungsmittel imprägniert. Typischerweise kann eine Reihe bekannter karbonisierbarer Imprägnierungsmittel verwendet werden, beispielsweise Phenolharze mit hoher Verkokungs­ ausbeute, isomerische Polyphenylene, Kohlenteerpech, Parapolyphenylene, Polyimide, Aldehydgemische und Phenole wie beispielsweise Furfural und Resorcinol und dergleichen. Wie ersichtlich wird die Innenwandung des Vorformlings durch die Dornoberfläche definiert. Nach der Imprägnie­ rung des Vorformlings wird die Außenoberfläche vorzugsweise abgewischt oder abgestreift, zur Entfernung von über­ schüssigem Imprägnierungsmittel. Die so gebildete Wand­ stärke wird selbstverständlich durch die Anzahl von Lagen sowie durch den Durchmesser des für die Flechtung ver­ wendeten Fadenmaterials bestimmt.

Der bis zur Sättigung imprägnierte Vorformling wird aus­ gehärtet und die Gesamtanordnung sodann nach bekannten Verfahren und bei bekannten Werten von Temperatur und Drucken karbonisiert und graphitisiert. Gegebenenfalls kann zur Erhöhung der Dichte des Enderzeugnisses eine Reihe zusätzlicher anschließender Imprägnierungs- und Karbonisierungsschritte angewandt werden. Dabei wird je­ weils der gleiche Dorn für jeden derartigen Imprägnie­ rungsschritt verwendet, um zu gewährleisten, daß die Innenseite des fertigen Erzeugnisses so eng als möglich der Dornform und -oberflächengestaltung angepaßt ist. Wesentlich ist, daß die Verwendung von wärmestabilisierten Fasern zur Bildung des geflochtenen Vorformlings, in Verbindung mit der Verwendung des Dorns während wenigstens der anfänglichen Karbonisierung des Erzeugnisses, ge­ währleistet, daß das Gebilde trotz der im Verlauf des Verfahrens auftretenden großen Wärmegradienten während des Herstellungsvorgangs dimensionsstabil gehalten wird.

Im folgenden werden spezielle Beispiele des erfindungs­ gemäßen Verfahrens zur Herstellung von Verbundwerkstoff- Gegenständen beschrieben; diese Beispiele dienen jedoch nur der Erläuterung und es kommt ihnen keine einschränken­ de Bedeutung zu.

Beispiel I

Ein metallischer Patrizendorn aus Aluminium wird mit der gewünschten Form und Abmessung nach herkömmlichen Form­ gebungs- und Bearbeitungsverfahren mit der speziellen für das Endprodukt gewünschten Innenwandungskonfiguration und Toleranz hergestellt. Der fertige Dorn wird sodann mit einem Trennmittel überzogen, um die Ablösung des Dorns nach dem anfänglichen Verdichtungsschritt zu erleichtern. Zu diesem Zweck werden auf den Dorn fünf Sprühüberzüge aus einem kommerziell verfüglichen Trennmittel (Mono Coat E63 der Fa. Chem Trendo, Inc.) aufgebracht, mit nachfolgender Wärmekonditionierung bei etwa 165°C über eine Stunde. Alternativ ist bei Herstellung des Dorns aus Polytetrafluoräthylen kein Trennmittel erforderlich. Sodann wird der Dorn in einer herkömmlichen triaxialen Flechtmaschine angebracht.

Die Flechtmaschine wird sodann mit Aufsteckspulen aus Tausträngen von karbonisierten Fäden von etwa 5 Mikrons Durchmesser beschickt, wobei die Fäden aus einem Vor­ läufermaterial (beispielsweise Apollo 55 PAN Fasermaterial) hergestellt wurden, das in bekannter Weise bei etwa 2500°C karbonisiert und wärmestabilisiert wurde. Sodann wird der Vorformling hergestellt, und zwar mittels tri­ axialer Aufflechtung der gewünschten Anzahl von Lagen um den Dorn zur Erzielung der gewünschten Dicke. Der sehr kleine Durchmesser der Kohlenstoff-Fasern ermöglicht die Bildung sehr dünner Lagen, typischerweise mit Dicken von etwa 6/1000 bis 12/1000 Zoll. Die einzelnen Lagen sind jeweils gegeneinander versetzt (d.h. mit einer Winkelverschiebung der axialen Fäden von einigen Grad von Lage zu Lage geflochten), um die Ineinander­ schachtelung der axialen Fäden zu gewährleisten. Zu diesem Zweck sind bei Verwendung eines 64er Flechtträgers, der 32 in gleichen Winkelabständen angeordnete axiale Verstärkungsfäden jeweils in jede Lage des Vorformlings einführt, die axialen Fäden jeder Lage jeweils um einen Winkel von 11.25° in der einen oder anderen Rich­ tung bezüglich der unmittelbar benachbarten Lagen ver­ setzt.

Nach Beendigung des Flechtvorgangs, werden der Dorn und das aufgeflochtene Aggregat von der Flechtvorrichtung abgenommen und das Gebilde mit einem Imprägnierungsmittel besprüht, das 67 Gew.-% Furfural und 33 Gew.-% Resorcinol enthält; die Einsprühung erfolgt mit ausreichender Menge zur Sättigung des Vorformlings, wobei überschüssiges Imprägnierungsmittel von der Oberfläche des Vorformlings vorsichtig abgewischt wird. Der abgewischte, bis zur Sättigung imprägnierte Vorformling wird sodann in einen Ofen eingebracht und bei etwa 165°C eine Stunde lang aus­ gehärtet; sodann wird der Metalldorn entfernt und der aus­ gehärtete, imprägnierte Vorformling in einer Argon-Um­ gebung durch Erhitzen auf 800°C karbonisiert und eine Stunde lang auf dieser Temperatur gehalten. Nach der Karbonisierung läßt man den karbonisierten Vorformling sich abkühlen, sodann wird jeweils über eine zusätzliche Anzahl gleicher Zyklen jeweils wieder erneut imprägniert und karbonisiert, bis eine gewünschte Dichte von vorzugs­ weise nicht weniger als 1.35 g/cm³ erreicht ist. Sodann wird der Vorformling von dem Dorn als fertiges Erzeugnis abgenommen.

Beispiel II

Aus einem Graphitblock wird durch formgebende Bearbeitung ein Dorn mit der gewünschten Oberflächenkonfiguration und den gewünschten Toleranzen hergestellt; der Dorn wird mit einem Trennmittel behandelt und sodann wird die gewünschte Anzahl von Lagen aus wärmestabilisierten Kohlenstoff-Fäden von 5 Mikron Durchmesser wie in Beispiel I beschrieben auf den Dorn aufgeflochten. Der geflochtene Vorformling wird sodann, wie in Beispiel I beschrieben, imprägniert und karbonisiert und das Gesamtgebilde, einschließlich dem Dorn, wird sodann in einem Induktionsofen unter Stickstoff bei 2500°C eine Stunde lang zur Graphitisierung des Vorformlings wärmebehandelt. Sodann wird das Gebilde in zusätzlichen Verfahrensschritten jeweils immer wieder neu imprägniert und auf Karbonisierungstemperaturen erhitzt, bis der Vorformling die gewünschte Dichte erreicht hat.

Beispiel III

Aus Stahl wird durch Formgebungsbearbeitung ein Dorn mit der gewünschten Form und mit geeigneten Räumen für Formeinsätze in der Dornoberfläche hergestellt. Es werden in geeigneter Weise Einleg- oder Einsatzstücke aus verdichtetem Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbundmaterial (beispielsweise auf 1.9 g/cm³ verdichtet) mit solcher Formgebung herge­ stellt, daß sie in die Einsatzräume in der Oberfläche des Stahldorns passen, derart daß ein aus mehreren Teilen bestehender Dorn gebildet wird. Selbstverständlich muß der Dorn so konstruiert sein, daß der Vorformling nachträglich mit den daran befestigten Einsätzen in einfacher Weise von dem Dorn genommen, beispielsweise abgezogen, werden kann.

Lediglich der Metallteil der Dornoberfläche wird mit einem Trennmittel behandelt (Release All #30 der Fa. Air Tek International), und der Dorn sodann in einem Ofen bei etwa 160°C eine Stunde lang konditioniert.

Der konditionierte Dorn wird sodann in einer Flechtma­ schine angeordnet und, wie in Beispiel I wird sodann eine Aufeinanderfolge von Lagen aus wärme­ stabilisierten Kohlenstoff-Fäden mit hohem Elastizitäts­ modul und kleinem Durchmesser auf den Dorn zur Bildung des gewünschten Vorformlings aufgeflochten. Dieser Vorformling wird sodann bis zur Sättigung mit einem ge­ eigneten Imprägnierungsmittel imprägniert, wobei darauf geachtet wird, daß das Imprägnierungsmittel die Zwischen­ räume des Geflechts unmittelbar benachbart den jeweiligen Kohlenstoff/Kohlenstoff-Einsätzen, ausfüllt. Das Aggregat aus Vorformling und Dorn wird sodann wie in Beispiel I einer Wärmebehandlung unterzogen. Hieran anschließend werden weitere Verdichtungszyklen wiederholt, bis das Endprodukt die gewünschte Dichte aufweist. Nach Beendigung der Karbonisierungszyklen wird der Vorformling von dem Dorn abgenommen, wobei die Einsatzstücke einstückig mit dem Vorformling verbunden und entlang der Innenwandung des geflochtenen Bereichs des Vorformlings ausgerichtet sind.

Man erkennt, daß die Erfindung ein Verfahren angibt, mit welchem dimensionsstabile, dünnwandige, Kohlenstoff-Kohlen­ stoff-Verbundkörper vorgegebener Form mit einer Symmetrie­ achse geschaffen werden können. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren ermöglicht die Schaffung derartiger Formkörper mit Wandstärken bis herab zu 20/1000 Zoll, ohne Bearbeitungs­ vorgänge, wodurch das Gewicht des betreffenden Werkstücks stark verringert wird, ohne Beeinträchtigung der grund­ sätzlichen Festigkeit der Fasern mit hohem Elastizitätsmodul. Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet auch die einfache und genaue Reproduzierbarkeit eines Kohlenstoff- Kohlenstoff-Erzeugnisses von bestimmter, vorgegebener Form, mit einer gewünschten Oberflächenbeschaffenheit sowohl an der Innen- wie an der Außenseite des Erzeug­ nisses. Ferner gibt das erfindungsgemäße Verfahren auch eine Technik zur genauen Vormontage, Ausrichtung und zum Verbund hochdichter Kohlenstoff-Kohlenstoff-Elemente mit dem Vorformling anhand, wodurch viele Probleme von Düsen- oder Austritts-Konuskörpern gelöst werden.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung können selbstverständlich in mannigfacher Weise abgewan­ delt werden, ohne daß hierdurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

Claims (17)

1. Verfahren zur Herstellung eines hohlen Kohlenstoff/ Kohlenstoff-Verbundkörpers um eine Symmetrieachse, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

• - ein hitzebeständiger Dorn (20) wird mit der für den Verbundkörper gewünschten Innenoberflächenkonfigura­ tion und -toleranz hergestellt;
• - auf die Oberfläche dieses Dorns werden eine oder mehrere Lagen (22, 24, 26) aus thermisch stabilen Kohlenstoff- Fäden mit einem Durchmesser von im wesentlichen nicht mehr als etwa 6 µm und einem Elastizitätsmodul von im wesentlichen nicht weniger als etwa 45×10⁶ psi aufgeflochten;
• - die genannten Lagen werden mit einem karbonisierba­ ren flüssigen Imprägnierungsmittel imprägniert, und
• - das Gebilde aus den imprägnierten Lagen und Dorn wird einer Wärmebehandlung zur Karbonisierung des Imprägnierungsmittels unterworfen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte der zyklischen Wieder­ holung erneuter Imprägnierung des Gebildes mit zu­ sätzlichem Imprägnierungsmittel und Karbonisierung des erneut imprägnierten Gebildes, bis zur Erreichung einer gewünschten Dichte des Kohlenstoff/Kohlenstoff- Verbundwerkstoffs.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoffgeflecht ein triaxiales Geflecht ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kohlenstoff-Fädengeflecht ein biaxiales Ge­ flecht ist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Imprägnierungsmittel ein Gemisch aus Aldehyd und Phenol verwendet wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Imprägnierung jeweils eine Sättigung der Lagen von Kohlenstoff-Fäden mit dem Imprägnierungs­ mittel umfaßt.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn aus Metall, Keramik oder Graphit besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Dorns vor dem Aufflechten der Lagen auf den Dorn mit einem Trennmittel behandelt wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Dorns teilweise aus Metall und teilweise aus Graphit besteht, und daß lediglich die metallischen Teile der Oberfläche vor dem Auf­ flechten der Lagen auf den Dorn mit einem Trenn­ mittel behandelt werden.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn aus Polytetrafluoräthylen besteht.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn aus Graphit hergestellt wird und die Wärmebehandlung des Gebildes bei einer Temperatur durchgeführt wird, bei welcher das Imprägnierungs­ mittel graphitiert.

12. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem Aufflechten der Kohlenstoff-Fäden je­ weils die Richtung der in axialer Richtung verlaufen­ den Fäden in jeder Flechtlage bezüglich der ent­ sprechenden axial verlaufenden Fäden in jeder un­ mittelbar benachbarten Lage winkelmäßig versetzt wird.

13. Hohler Kohlenstoff/Kohlenstoff-Verbundkörper mit einer Symmetrieachse, gekennzeichnet durch

• - eine Mehrzahl aufeinanderfolgender Lagen (22, 24, 26) aus in eine karbonisierte Matrix eingebetteten ge­ flochtenen Kohlenstoff-Fäden, wobei die Fäden wärme­ stabilisiert sind, einen Durchmesser von weniger als etwa 6 Mikron und einen Elastizitätsmodul von im wesentlichen nicht weniger als 45×10⁶ psi besitzen,
• - wobei die Innenoberfläche des Hohlkörpers ursprüng­ lich durch die Oberfläche eines Dorns (20) bestimmt wurde, auf welchen die Faserlagen ursprünglich aufgeflochten waren.

14. Hohler Verbundkörper nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Dichte von nicht weniger als 1,35 g/cm³ besitzt.

15. Hohler Verbundkörper nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß er Elemente aus Kohlenstoff/Kohlenstoff-Material aufweist, die mit der Innenoberfläche des Verbund­ körpers durch das Material der Matrix verbunden sind, wobei diese Elemente eine höhere Dichte als die der Flechtlagen und der Matrix besitzen.

16. Hohler Verbundkörper nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Wandstärke von nur 20/1000 Zoll besitzt.

17. Hohler Verbundkörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine konische Form besitzt.