DK160887B - Fremgangsmaade til fremstilling af et sammensat materiale dannet af armeringsfibre, der er regelmaessigt anbragt og orienteret i mere end to retninger i en grundmasse, der udfylder hulrummet mellem fibrene - Google Patents

Description

i

DK 160887 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til fremstilling af et sammensat materiale dannet af armeringsfibre, der er regelmæssigt anbragt og orienteret i mere end to retninger, og en grundmasse, der udfylder hulrummet mellem disse fibre.

5 Sådanne materialer kan bestå af armeringsfibre spredt i en passende grundmasse; de benyttede armeringsfibre kan være organiske eller uorganiske fibre, såsom nylonfibre {aromatiske eller ikke aromatiske), kulstoffibre, glasfibre, siliciumcar-10 bidfibre, borfibre, osv; de benyttede grundmasser kan også være af organisk eller uorganisk oprindelse som f.eks. grundmasser af harpiks, metal, metallegeringer eller af keramik; endvidere kan disse grundmasser indeholde forskellige fyldstoffer, såsom f.eks. grafitpulver, titanpulver, keramikpulver 15 osv. Materialerne, der fremstilles ved fremgangsmåden ifølge nærværende opfindelse, indeholder fibre og grundmasser som beskrevet ovenfor.

Afhængigt af orienteringen af fibrene kan de sammensatte 20 materialer være mono-, bi- eller tredimensionale i deres egenskaber følgende orienteringen eller orienteringerne af f i brene.

Det er kendt at fremstille monorettede sammensatte materialer, 25 hvor parallelle fibre er fastholdt af fine tråde af nylon, glas osv., eller birettede sammensatte materialer opbygget af flere monorettede lag stablet oven på hinanden, og som mellem hinanden danner forskellige vinkler eller ganske enkelt vævede lag. Men hvad angår fremstillingen af en fibrøs tredimensional 30 struktur er dette problem meget mere kompliceret. Ved alle de kendte fremgangsmåder gør man brug af enten en speciel strikvare eller af fibre, som krydser den bidimensionale helhed, hvor hver fiber bliver ført af en nål. Man benytter også visse typer filt, som er kendt som tredimensionale, og som er hver-35 ken mere eller mindre tredimensionale end konventionelle strikkede løkkevarer.

2

DK 160887 B

Hen det er ligeledes kendt, at egenskaberne ved de opnåede materialer kan afhænge af regelmæssigheden ved fordelingen og orienteringen af fibrene, og at det er fordelagtigt at råde over en fremgangsmåde, der tillader, at man nøjagtigt styrer 5 denne spredning og denne orientering i de forskellige valgte retninger. Dette er formålet med opfindelsen.

Fremgangsmåden ifølge opfindelsen er ejendommelig ved, at man 10 a) i et første trin frembringer en hvælvet børste af armeringsfibre, som er regelmæssigt fordelt og ved en af deres ender er fastgjort til et hvælvet underlag, hvilke fibre underkastes et kraftigt ensrettet elektrostatisk felt, der 15 er orienteret parallelt med fibrene på en sådan måde, at nævnte fibre vil være ubevægelige i forhold til hinanden i en form, hvori de er udstrakt vinkelret på bærelagets overflade, og 20 b) i et andet trin mellem disse fibre indsætter på hinanden følgende fiberlag, eller fibergitre, som er anbragt efter hinanden med 90e,s forskydning i forhold til hinanden, hvilken indsætning foretages, medens armeringsfibrene, som er stukket i bærelaget, er udsat for nævnte kraftige ensrettede elektro- 25 statiske felt, hvorefter man c) i et tredje trin fjerner de elementer, der blev benyttet til fastholdelsen af fibrene i den nævnte børste, og 30 d) i et fjerde trin imprægnerer den fibrøse struktur med en flydende grundmasseprecursor og eventuelt underkaster den en kompression med henblik på en fortætning af det imprægnerede materiale, hvorpå man 35 e) til sidst i et femte trin underkaster det imprægnerede materiale betingelser, som bevirker omdannelsen af precursoren til grundmassen.

3

DK 160887 B

Med henblik på at lette forståelsen af den ovenfor angivne fremgangsmåde beskrives opfindelsen i det følgende nærmere ved hjælp af nogle eksempler på fremgangsmåden ifølge opfindelsen under henvisning til tegningen, hvor 5 fig. 1-12 skematisk viser de forskellige fremstillingstrin.

Det første trin består altså i at fremstille en hvælvet børste af fibre, som er ligeligt fordelt, hvilke fibre er strakt, 10 regelmæssigt adskilte og fastgjorte; en foretrukken udformning af fremgangsmåden til realisering af dette første trin er vist i fig. 1-5.

Man benytter som udgangsmateriale en samling af monorettede 15 fibre (af glas, polyamid, kulstof, alumina, bor osv.), der foreligger i form af en plade som vist i fig. 1.

Man fremstiller dernæst en foldning (f.eks. automatisk) af denne fibrøse monorettede struktur, som det er vist i fig. 2; 20 det skal bemærkes, at antallet og placeringen (mere eller mindre sammentrængt) af de fibre, som skal danne børsten, vil afhænge af denne foldning; dette antal vil være betydeligt højere, hvis foldningen skal være mere sammentrængt; denne foldning bliver derpå fikseret ved anbringelse af et fleksi-25 belt underlag, f.eks. et celluloseacetat langs med den ene side af det foldede materiale, som det er vist i fig. 3; på denne figur er det pågældende underlag betegnet med 1 og den foldede struktur med 2.

30 Efter denne operation bliver spidserne af disse folder skåret af, og man opnår en art børste, som det er vist med henvisningstallet 3 i fig. 4. Denne børste bliver placeret i et elektrostatisk felt med høj spænding på mellem 50.000 og 200.000 volt jævnspænding mellem elektroderne 4 og 5 i fig. 4. Det 35

DK 160887B

4 elektrostatiske felt udstrækker fibrene og fastholder dem i en lige stor afstand fra hinanden. Dernæst udsprøjter man over denne børste, medens den er udsat for det elektrostatiske felt, som holder de lodrette fibre stive, fordelagtigt det 5 samme produkt som det, der er benyttet til fremstilling af underlaget 1 i fig. 3. Denne coatningsproces vil blive foretaget med et stof, som bagefter vil kunne opløses og ødelægges.

10 Denne børste, der på dette tidspunkt består af fibre, der er fastholdt ved den ene af deres ender 1, og som takket være anvendelsen af det elektrostatiske felt er indbyrdes parallelle og står vinkelret på bærelaget eller underlaget 1, bliver så gjort hvælvet. Det drejer sig her om et meget vigtigt træk 15 inden for rammen af nærværende opfindelse, eftersom man takket være denne handling vil kunne opnå en hvælvet børste hvis hår på den ene side er tilstrækkeligt tætstillede ved deres fod, men på den anden side er tilstrækkeligt adskilte ved deres frie ydre ender til at muliggøre, at de efterfølgende 20 operationer i nærværende opfindelse kan udføres.

Den hvælvede børste er vist skematisk i fig. 5.

Det andet trin ved fremgangsmåden er vist i fig. 6-9; i dette 25 trin anbringer man efter hinanden et vist antal gitre, der har den samme hvælvning som hos børsten, mellem børstens fibre.

I fig. 6 har man vist nogle fibre eller fibriller, som er strakt ud i en ramme 7 på en måde, så de danner et gitter.

Denne ramme har en forud valgt krumningsradius r, den samme 30 radius som børsten. De fibre, der er anbragt på denne ramme, er udstrakt, men bevægelige på en sådan måde, at de kan flyttes tættere på hinanden i retning af pilene 8.

Den nævnte ramme bliver derpå anbragt oven over børsten vist 35 i fig. 5, hvilket muliggør, at man kan opnå en enhed, der er todimensional henholdsvis i kæderetningen og i lodret retning som vist i fig. 7. Den således beskrevne krum- 5

DK 160887 B

ning muliggør en lettere indføring af de lodret stillede fibre mellem kædetrådene og skudtrådene.

Det' kan være ønskeligt efter placeringen af gitteret mellem 5 fibrene i børsten at behandle hele enheden i et elektrostatisk felt analogt med det, der er beskrevet ovenfor til fremstillingen af børsten. Brugen af dette felt begunstiger den hensigtsmæssige placering af fibrene i forhold til hinanden.

10 Denne operation bliver gentaget, indtil der er dannet en passen de stabel af gitre. Det er klart, at denne stabel kan opnås ved at anbringe fibrene i hvert gitter i samme retning eller i forskellige retninger, hvilket vil frembringe materialer, som har forskellige egenskaber; det er ligeledes klart, at *5 gitrene kan være forskellige indbyrdes, enten ved antallet af fibre,(idet man f.eks. til visse gitre kan fjerne én fiber ud af to) eller om nødvendigt endog ved arten af fibrene; endelig kan man fremstille et inhomogent materiale ved f.eks. i en vis tykkelse at anbringe gitre, hvis fibre er orienteret 20 i samme retning, og i en anden tykkelse gitre, hvis fibre er orienteret skiftevis i to på hinanden vinkelrette retninger.

I det følgende forklares opfindelsen i det specielle tilfælde med fremstilling af et materiale med tredimensionel orientering, 25 o dvs. et materiale bestående af monorettede fibre i et plan X eller en kæderetning, dernæst af et andet gitter af fibre i planet Y eller i skudretningen, og andre fibre, kaldet en børste, som danner en vinkel på 90° med kæderetningen og med skudretningen i planet Z.

30

Med henblik på at fremstille materialer med tredimensional orientering skal man udføre den samme operation med indsætning af et gitter mellem fibrene i børsten, men med orientering af fibrene i gitteret i en retning vinkelret på orienterings-35 retningen for fibrene i det underliggende gitter. Dette er vist i fig. 8-9, hvor gitteret i fig. 8 hensigtsmæssigt krummet og med fibrene orienteret vinkelret på fibrene i gitteret i fig. 6 6

DK 160887 B

er anbragt (se fig. 9) på materialet vist i fig. 7. Denne operation, bestående i stabling af gitre med en passende orientering gentaget så mange gange, som det vil være nødvendigt for at opnå den produkttykkelse, som man ønsker med den anvendte 5 fiberdiameter, gør det muligt at opnå et tredimensionalt netværk som det, der er vist i fig. 10 set ovenfra. Man har altså på dette tidspunkt et tredimensionalt produkt, som fremstår som en enhed orienteret i retningerne X, Y, Z med form som en sfærisk kalot med stor krumningsradius.

10 I et tredje trin fjerner man de produkter, som har tjent til på den ene side at frembringe krumningen i børsten og på den anden side til at fastgøre fibrene i børsten. Denne fjernelse kan udføres meget fordelagtigt ved en enkel opløsning i 15 et opløsningsmiddel, hvis de anvendte materialer tillader dette; det valgte opløsningsmiddel tjener ligeledes til at rense overfladen af fibrene, således at det endelige samvirke mellem fibrene og grundmassen fremmes.

20

Netværket af fibre bliver tørret, og man indfører så den flydende precursor for grundmassen i dette netværk. Som almindeligt kendt kan denne væske, alt efter tilfældet, være enten noget smeltet grundmassemateriale eller et materiale, f.eks. en præpolymer, som ved en senere omdannelse frembringer grund-25 massen. En sadan imprægneringsproces er velkendt for fagfolk på området.

Når imprægneringen er blevet udført, bliver de rammer, som holdt fibrene i de forskellige gitre, fjernet, og den opnå-30 ede konstruktion bliver fladet ud eller om nødvendigt formet; overskydende grundmasse eller grundmasseprecursor'kan så fjernes.

Efter en sådan proces opnår man virkeligt en tredimensional konstruktion, der er orienteret-i retningerne X, Y, Z, som 35 vist i fig. 11.

Hvis man ønsker at have et meget kompakt produkt, i hvilket der ville være et minimum af grundmasse, netop tilstrækkeligt 7

DK 160887 B

til at omhylle fibrene, kan man udøve tryk fra siderne og i lodret retning i retning af pilene 10 i fig. 12. På dette tidspunkt, efter polymerisation af grundmassen, opnår man en sammensat tredimensional fiber-grundmasse med en meget 5 sammenpresset konstruktion, som har absolut bemærkelsesværdige egenskaber med hensyn til bøjning, brydning, sammenpresning og forlængelse.

Det skal i øvrigt bemærkes, at det er velkendt, at når fibre 10 sådan som de, der er benyttet i nærværende opfindelse til at frembringe armeringen, bliver udsat for et elektrostatisk felt frembragt af en vekselstrøm med en spænding på ca. 25.000 volt , fremkommer der en bejdsning af disse fibres overflade, som medfører en bedre vedhæftning af grundmassen til disse 15 o fibre. Det er altså muligt^, på et eller andet stadium i processen ifølge opfindelsen^at underkaste fibrene en sådan behandling med et felt frembragt af en vekselstrøm.

I det tilfælde, hvor man ønsker at opnå f.eks. en struktur 20 med høj modstandsdygtighed mod meget høje temperaturer, kan man indføre en carbongrundmasse i form af beg i ren form, og efter komprimering og polymerisering af enheden under vakuum i en autoklave kan man opnå de velkendte strukturer af typen carbon-carbon, som almindeligvis bliver anvendt i rumfartstéknolo- 2 5 gien og til medicinske proteser.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen har man tilvejebragt en plade med dimensionerne 150 x 100 x 16 mm under anvendelse af: 30 - som fibre, Brochier-Toray carbonfibre, - som harpiks, en trekomponentharpiks fra Ciba-Geigy med følgende indhold: 3 5 basismateriale: en epoxy-harpiks med betegnelsen LY 556, hærder: et dicarboxidsyreanhydrid med betegnelsen HY 917 og accelerator: en heterocyklisk amin med betegnelsen DY070.

DK 160887 B

8 - polymerisering af den nævnte harpiks blev udført under en langsom temperaturhævning med en effektiv polymerisering . efter 8 timer ved 140°C.

5 - det elektrostatiske felt til positionering af fibrene blev fremkaldt ved 100.000 volt jævnspænding i 7 min. og 15.000 volt vekselspænding i 3 min.

10 - omkring 30 lag gitre blev anbragt oven på hinanden i to retninger vinkelret på-hinanden, 2 - tryk påført før polymerisationen: 6 t/dm , - fiber-grundmassefordelingen var: 73% fibre, 27% harpiks.

15

Den således opnåede plade har kunnet modstå bøjningsspændinger på 1600 Gp i de tre akseretninger uden nogen deformation.

Det endeligt opnåede materiale kan være formet med eller kan senere bearbejdes med henblik på opnåelse af særlige dele med høj modstandsdygtighed.

Fordelene ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen er følgende: 25 1) fremstillingsomkostningerne er ret små i forhold til ved alle eksisterende systemer, 2) der er mulighed for en kontinuerlig produktion, 30 3) der kan fremstilles komplekse strukturer til imødegåelse af uens brudbelastninger i konstruktionsenheden.

35

Claims (1)

1. 9 DK 160887 B Patentkrav. Fremgangsmåde til fremstilling af et sammensat materiale dan-5 net af armeringsfibre, der er regelmæssigt anbragt og orienteret i mere end to retninger, og en grundmasse, der udfylder hulrummet mellem disse fibre, kendetegnet ved, at man 10 a) i et første trin fremstiller en hvælvet børste af disse armeringsfibre, som er regelmæssigt fordelt og ved en af deres ender fastgjort til et hvælvet underlag, hvilke fibre underkastes et kraftigt ensrettet elektrostatisk felt, der er orienteret parallelt med fibrene på en sådan måde, at fibrene vil 15 være ubevægelige i en udstrakt tilstand vinkelret på bærelagets overflade, b) og i et andet trin mellem disse fibre indsætter nogle på hinanden følgende lag (eller gitre) af fibre, som er anbragt 20 90® forskudt i forhold til hinanden, hvilken indsætning fore tages, medens armeringsfibrene stukket på dette bærelag er udsat for nævnte kraftige ensrettede elektrostatiske felt, og c) i et tredje trin fjerner de elementer, der blev benyttet 25 til fastholdelsen af fibrene i den nævnte børste, og d) i et fjerde trin imprægnerer den fibrøse struktur med en flydende grundmasseprecursor og eventuelt underkaster den en komprimering med henblik på en fortætning af det imprægnerede 30 materiale, e) hvorpå man til slut i et femte trin underkaster det imprægnerede materiale betingelser, som bevirker omdannelsen af pre-cursoren til grundmassen. 35