Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nassreibmaterial aus carbonfaserverstärktem Verbundwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung des Nassreibmaterials.

Nassreibbeläge, beziehungsweise Nassreibmaterialien, kommen in Nassreibelementen zum Einsatz, bei welchen ein Nassmedium, beispielsweise Öl, zur Abfuhr der durch den Reibungskontakt entstehenden Wärme von den Reiboberflächen der Reibpartner dient. Ein gattungsgemäßes Nassreibelement ist aus der US 5 662 993 A bekannt, die ein Reibmaterial aus harzimprägniertem Gewebe betrifft, welches aus Carbonfasern gewoben ist. Auch die von der Anmelderin der vorliegenden Anmeldung selbst stammende EP 1 505 310 B1 beschreibt ein gattungsgemäßes Nassreibmaterial, welches durch spezielle Strukturierungen der Oberfläche ein verbessertes Abflussverhalten des Nassmediums aufweist.

Nassreibmaterialien aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) zeichnen sich durch ihre hohe Stabilität und ihre durch die Carbonfasern bedingte hohe Wärmeleitfähigkeit aus, insbesondere gegenüber Materialien aus glasfaserverstärkten Kunststoffen (GFK). Nachteilig an ihnen ist jedoch, dass sie eine hohe Haftreibung aufweisen, die zu einem erhöhten Losbrechmoment führt und die sogenannte Grünschaltbarkeit beeinträchtigen. Versuche der Anmelderin der vorliegenden Erfindung haben gezeigt, dass Nassreibmaterialien aus pyrolysierten Reibbelägen aus carbonfaserverstärktem Kohlenstoff (CFC), wie sie in der US 5 895 716 A beschrieben werden, hinsichtlich Haftreibung und weiteren Reibeigenschaften vorteilhaft gegenüber CFK-Reibmaterialien sind. Allerdings sind diese wiederum nachteilig hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit über die Lebensdauer eines Nassreibelements, da das CFC-Material zwar grundsätzlich sehr stabil und eine hohe Steifigkeit besitzt, allerdings führt gerade diese Steifigkeit jedoch auch dazu, dass das Material sehr spröde und brüchig ist. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Nassreibmaterial bereitzustellen, welches hinsichtlich Reibeigenschaften und Verschleißbeständigkeit vorteilhaft gegenüber den bekannten Reibmaterialien ist. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein CFK-Reibbelag gezielt und ausschließlich an der Oberfläche des Reibbelags, die für die Reibung vorgesehen ist, carbonisiert wird. Die Car- bonisierung des CFK-Material erfolgt daher nur bis zu einer gewissen Tiefe auf dem Reibbelag und nicht durchgängig durch das gesamte CFK-Material. Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist daher ein Nassreibmaterial, umfassend einen flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoff, enthaltend mindestens ein textiles Flächengebilde aus Carbonfasern eingebettet in eine Kunststoffmatrix, dadurch gekennzeichnet, dass die für eine Nassreibung vorgesehene Oberfläche des carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs zumindest bereichsweise von der Oberfläche bis zu einer definierten Tiefe carbonisiert ist.

Dadurch, dass unterhalb der carbonisierten Oberfläche des Nassreibmaterials, das heißt in Richtung von der für die Reibung vorgesehene Oberfläche weg weisend, das ursprüngliche CFK-Material noch vorhanden ist, verliert das Nassreibmaterial praktisch nichts an seiner Ver- Schleißbeständigkeit im Normalbetrieb, während gleichzeitig die positiven Reibeigenschaften eines CFC-Materials genutzt werden können. Dies war in dieser Form nicht vorhersehbar, da man von einem nachteiligen Einfluss auf die Verschleißbeständigkeit ausgehen musste.

Als das textile Flächengebilde aus Carbonfasern kommen alle bekannten flächigen Textil- strukturen in Betracht. Neben den in den eingangs zitierten Veröffentlichungen beschriebenen Geweben, können auch Gewirke, Geflechte, Gestricke, aber auch Vlies und Papier aus Carbonfasern zum Einsatz kommen.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die Oberfläche bis zu einer Tiefe im Bereich von 5 μηι bis 1000 μηι, bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 20 μηι bis 500 μηι, weiter bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 40 μηι bis 350 μηι, besonders bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 100 μηι bis 200 μηι carbonisiert ist, wobei diese Tiefe geringer ist als die Dicke des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs insgesamt. Je nach Anwendung kann es ausreichend sein, dass die carbonisierte Oberfläche derart dünn ist, dass lediglich die obersten Carbonfasern von der Kunststoffmatrix freigelegt werden, was in etwa einer Tiefe von 5-15 μηι entspricht. Je tiefer die Carbonisierung vorliegt, beziehungsweise je dicker die carbonisierte Schicht an der Oberfläche des Nassreibelements ist, desto besser werden die Reibeigenschaften. Ab einer Tiefe von etwa 100 μηι, tritt keine signifikante Verbesserung der Reibeigenschaften ein. Um gleichzeitig die Verschleißbeständigkeit zu gewährleisten, muss darauf geachtet werden, dass die Schichtdicke des CFK- Materials ausreichend groß ist. Daher ist eine Tiefe von 100 μηι bis 200 μηι, bis zu welcher die Oberfläche carbonisiert ist, besonders bevorzugt.

Die Dicke des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs insgesamt kann je nach Anwendung des Nassreibmaterials unterschiedlich sein und ist daher nicht besonders eingeschränkt. Bevorzugt weist der flächige carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 5 mm, weiter bevorzugt 0,25 bis 2 mm und noch weiter bevorzugt 0,3 bis 1 mm auf.

Vorzugsweise ist in mindestens 0,1 mm der Dicke des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs die Kunststoffmatrix nicht carbonisiert ist. Dies gewährleistet eine ausrei- chende Stabilität des Materials. Weiter bevorzugt beträgt die Dicke der nicht carbonisierten Schicht, d.h. der Schicht in der der flächige carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff noch im CFK-Zustand ist, mindestens 0,2 mm und noch weiter bevorzugt 0,3 mm.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind 10-100%, bevorzugt 20-100%, weiter bevorzugt 30-90% der Oberfläche carbonisiert. Eine nur bereichsweise carbonisierte Oberfläche ist dann vorteilhaft, wenn es bei der jeweiligen Anwendung des Nassreibmaterials vermehrt auf Stabilität und Verschleißbeständigkeit ankommt, etwa bei besonders beanspruchten Reibbelägen. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, können die carbonisierten Bereiche in einem regelmäßigen Muster, z.B. streifenweise nebeneinander, vor- liegen. Hierbei verteilt sich der Abrieb der CFC-Oberflächen gleichmäßig über die gesamte Reibfläche, also auch über die Bereiche der CFK-Oberfläche, was insgesamt zu verbesserten Reibeigenschaften führt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das textile Flächengebilde ein Gewebe aus Carbonfasern. Ein Gewebe zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es aufgrund seiner Struktur zur Ausbildung von Kanälen an der Oberfläche des Nassreibmaterials kommen kann, wodurch der Abfluss des Nassmediums gesteuert werden kann. Je nach Art der Gewebebindung, beispielsweise Köperbindung, kann dieser Effekt gezielt eingestellt werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Kunststoff- matrix mindestens einen Kunststoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus gehärtetem

Epoxidharz und gehärtetem Phenolharz, wobei Phenolharz bevorzugt ist. Der Vorteil hieran ist, dass insbesondere Phenolharz einen hohen Kohlenstoffrückstand nach der Carbonisierung aufweist. Es wurde gefunden, dass eine dichtere Kohlenstoffmatrix die Reibeigenschaften verbessert, insbesondere den Reibungskoeffizient erhöht.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Nassreibmaterials. Alle im Bezug auf den ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung genannten Merkmale können mit dem im folgenden erläuterten Verfahren entsprechend kombiniert werden und umgekehrt. Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft ein Verfah- ren zur Herstellung eines Nassreibmaterials, umfassend die folgenden Schritte: a) Bereitstellen eines textilen Flächengebildes aus Carbonfasern,

b) Imprägnieren des textilen Flächengebildes mit einem Kunststoffvorläufer,

c) zumindest teilweises Aushärten des Kunststoffvorläufers und Erhalt eines zumindest teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs,

d) Carbonisieren des zumindest teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs auf einer für eine Nassreibung vorgesehenen Oberfläche des carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs und

e) im Falle eines nur teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs, vollständiges Aushärten des Kunststoffvorläufers. Die Art des Bereitstellens gemäß Schritt a) ist nicht besonders eingeschränkt. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, kann das textile Flächengebilde direkt aus Carbonfasern hergestellt werden. Es ist auch möglich, das Flächengebilde aus Vorläuferfasern von Carbonfasern herzustellen, wie zum Beispiel, jedoch nicht ausschließlich, Polyacrylnitrilfasern oder stabili- sierte (oxidierte) Polyacrylnitrilfasern.

Als Kunststoffvorläufer in Schritt b) werden bevorzugt Epoxidharze oder Phenolharze verwendet. Die Vorteile hieran sind bereits weiter oben erläutert. Der Imprägniervorgang kann grundsätzlich gemäß allen bekannten Imprägnierverfahren erfolgen. Bevorzugt wird das textile Flächengebilde vollständig imprägniert, um Homogenität und Stabilität des späteren Verbundwerkstoffs möglichst zu erhöhen.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Schritt c) kann das mit dem Kunststoffvorläufer imprägnierte textile Flächengebilde vollständig aber auch nur teilweise Ausgehärtet werden. Im letzteren Fall wird dadurch ein Prepreg erhalten, das leichter formbar ist als bei einem vollständig ausgehärteten Kunststoffvorläufer.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Car- bonisieren der Oberfläche gemäß Schritt d) zumindest bereichsweise und bis zu einer Tiefe im Bereich von 5 μηι bis 1000 μηι, bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 20 μηι bis 500 μηι, weiter bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 40 μηι bis 350 μηι und besonders bevorzugt bis zu einer Tiefe im Bereich von 100 μηι bis 200 μηι. Hierbei gelten die entsprechenden Erläuterungen zum ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung.

Bevorzugt werden in Schritt d) 10-100%, bevorzugt 30-100%, weiterbevorzugt 40-90% der Oberfläche carbonisiert. Hierbei gelten die entsprechenden Erläuterungen zum ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Car- bonisieren mittels Laserstrahlung. Mittels Laserstrahlung ist es möglich, eine Carbonisierung auch von sehr dünnen Schichten nur bis zu einer genau definierten Tiefe erfolgen zu lassen, da der Energieeintrag sehr präzise ist, und die Carbonisierung derart schnell abläuft, dass eine weitere, unerwünschte Carbonisierung durch Wärmeverteilung im zu carbonisierenden Körper verhindert werden kann. Dies funktioniert überraschenderweise auch bei carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffen. Denn die Wärmeleitfähigkeit von Carbonfasern ist so hoch, dass man davon ausgehen müsste, dass sich die Carbonisierung über die gesamte Dicke des Nassreibmaterials fortsetzt. Dem ist jedoch nicht so. Die Art des Lasers ist dabei nicht besonders eingeschränkt. Es kann beispielsweise ein C0 ₂ -Laser verwendet werden.

Die für die Carbonisierung erforderliche Temperatur liegt üblicherweise zwischen 600°C und 1000°C. Bei einer Carboniserung mittels Laserstrahlung gemäß dem Beispiel unten, steigt jedoch die Carbonisierungstiefe ab einer Temperatur von etwa 800°C sprunghaft an. Die Tiefe der Carbonisierung ist daher in etwa ab dieser Temperatur nicht mehr so gut zu kontrollieren. Bevorzugt liegt die für die Carbonisierung erforderliche Temperatur dabei zwischen 600°C und 780°C. Ein weiterer Vorteil dieses Temperaturbereiches ist, dass nur die Matrix carbonisiert, nicht jedoch die Carbonfaser strukturell verändert wird.

Die Carbonisierung kann jedoch auch mit jedem anderen geeigneten Verfahren erfolgen. Eine Carbonisierung oder teilweise Carbonisierung des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs in einem üblichen Carbonisierungsofen ist jedoch nicht erfindungsgemäß, da hierbei der Verbundwerkstoff gleichmäßig über seine gesamte Dicke teilweise oder vollständig carbonisiert. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung können damit nicht erreicht werden, es sei denn, dass in dem Ofen Maßnahmen dafür getroffen werden, dass eine Oberfläche des flächigen carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs nicht carbonisiert wird. In diesem Fall liegt jedoch kein üblicher Carbonisierungsofen vor.

Der Begriff Carbonisierung ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung gleichbedeutend mit dem Begriff Pyrolyse. Dem Fachmann ist bekannt, dass beides unter erhöhten Temperaturen abläuft. Weiterhin vorzugsweise erfolgt das Carbonisieren in einer Intertgasatmosphäre. Dies hat den Vorteil, dass der bei der Carbonisierung entstehende Kohlenstoff weitgehend nicht oxidiert und damit angegriffen wird. Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zumindest nach dem Schritt b) ein Verdichten des imprägnierten textilen Flächengebildes, beziehungsweise des teilweise ausgehärteten carbonfaserverstärkten Verbundwerkstoffs unter Druck. Das Verdichten wird üblicherweise mittels mechanischen Pressens erreicht. Dieser Press- schritt kann sowohl vor, als auch während des zumindest teilweisen Aushärtens des Kunststoffvorläufers erfolgen. Es ist alternativ oder zusätzlich möglich, dass ein bereits an der Oberfläche carbonisiertes Prepreg dem Pressschritt ausgesetzt wird bevor und/oder während der Kunststoffvorläufer vollständig ausgehärtet wird. Im Prinzip kann der Pressschritt in einem beliebigen zeitlichen Abschnitt nach der Imprägnierung erfolgen bis der carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff vollständig ausgehärtet ist. Während der Carbonisierung jedoch, findet aus Praktikabilitätsgründen üblicherweise kein Pressschritt statt. Das ausführungsgemäße Verdichten erhöht die Stabilität des Nassreibmaterials.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der zumin- dest teilweise ausgehärtete carbonfaserverstärkte Verbundwerkstoff auf ein Substrat aufgebracht. Je nach Anwendung kann dieses Substrat unterschiedlich ausgestaltet sein. Es fungiert grundsätzlich als Trägermaterial für einen Nassreibbelag auf dem sich das erfindungsgemäße Nassreibmaterial im Endprodukt befinden soll. Beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, kann das erfindungsgemäße Nassreibmaterial in Kupplungen, wie Lamellenkupp- lungen und Kegelkupplungen, zum Beispiel in Synchronringen, zum Einsatz kommen. Die entsprechenden Substrate sind dabei meist aus Metall. Die Aufbringung auf das Substrat kann zu einem beliebigen Zeitpunkt nach dem zumindest teilweisen Aushärten (Schritt c) erfolgen. Bevorzugt ist es jedoch, dass die Aufbringung auf das Substrat erst nach der Carbonisierung der Oberfläche erfolgt. Hierdurch werden mögliche Beschädigungen der Verbindung zwischen Reibmaterial und Substrat durch die entstehende erhöhte Temperatur beim Carbonisieren vermieden. Denn aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit der Carbonfaser, wird die bei der Carbonisierung der Oberfläche entstehende Wärme durch die gesamte Dicke des Reibbelags bis zur Verbindung zwischen Reibmaterial und Substrat geleitet. Die Art der Aufbringung, beziehungsweise der Verbindung ist nicht besonders eingeschränkt. Üblicherweise wird das Nassreibmaterial mittels eines Klebers auf das Substrat aufgebracht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens findet das Verdichten vor der Carbonisierung statt und im Anschluss an die Carbonisierung wird das Nassreibmaterial auf das Substrat aufgebracht. Diese Reihenfolge hat eine Reihe von Vorteilen in der Handhabung des Materials während der Verfahrensführung. Zudem könnte bei un- vorsichtiger Handhabung die carbonisierte Schicht Schaden nehmen, wenn erst im Anschluss an die Carbonisierung der Pressschritt erfolgt.

Beispiel: Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Nassreibmaterials wurde in einem ersten Schritt ein Gewebe aus Carbonfasern mit einem Flächengewicht von 270 g/m ² und einer Dicke von 900 μηι hergestellt. Das Gewebe wurde mit einem Phenolharzsystem imprägniert, welches anschließend bei 150°C ausgehärtet wurde. Die Oberfläche wurde mit Hilfe eines C0 ₂ Lasers mit einer Leistung von 100 mW bestrahlt und dabei bis in eine Tiefe von 250 μηι carbonisiert. Die Carbonisierungstiefe wurde mit Hilfe eines einfachen Kratztests überprüft, da sich die eher spröde, carbonisierte Schicht leicht von dem darunterliegenden CFK-Material abtragen lässt. Je länger eine Stelle der Oberfläche der Laserstrahlung ausgesetzt ist, desto heißer wird die Oberfläche. Die entstehenden Temperaturen können simultan mittels Infrarottechnik gemessen werden. Die Abhängigkeit der Carbonisierungstiefe von der Temperatur in diesem Beispiel ist in nachfolgender Tabelle wiedergegeben.

Kratztiefe (entspricht

Temperatur

Carbonisierungstiefe)

650°C 48 μηι

750°C 103 μηι

850°C 504 μηι