碳/碳部件和用于制造碳/碳部件的方法技术

本发明专利技术提供一种碳／碳部件和用于制造碳／碳部件的方法。该方法包括形成步骤、碳化步骤和密化步骤。形成步骤可包括针刺纤维层以形成沿三个方向延伸的纤维。碳化步骤可包括施加压力以增大纤维预成型件的纤维体积比。密化步骤可包括采用碳基体填充纤维预成型件的空隙。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及碳/碳部件的制造，更具体地，涉及一种在碳化期间被紧密的针刺纤维预成型件。
技术介绍
摩擦盘形式的碳/碳部件(“C/C”)通常被用于飞机制动盘以及赛车制动装置和离合器盘。由于C/C材料优良的高温特性，碳/碳制动盘在这些应用中是尤其有用的。具体地，用在C/C部件中的碳/碳材料是热的良导体，并且能消散在制动期间从制动表面产生的热量。碳/碳材料也十分耐热损坏，从而在紧急制动期间能保持制动表面之间的摩擦，而不会导致摩擦系数大大降低或者机械故障。一般来讲，当前存在制造C/C材料的两种主要方法。第一种方法包括碳纤维、酚醛树脂基体组合物的浸渍和固化，随后进行高温分解和随后的酚醛树脂渗透及高温分解循环。典型地采用多次树脂渗透及高温分解循环，直到部件达到所需的密度。第二种方法包括氧化的PAN或碳纤维预成型件的制作，随后进行碳化和化学汽相渗透(CVI)密化。持续进行化学汽相渗透循环(如果需要，与在渗透循环之间对预成型件的加工相结合)，直到达到所需的部件密度。这两个基本的处理方法的结合也在使用中，并且可以包括在预成型件结构、渗透树脂类型和化学汽相渗透条件等方面的改变。一般来讲，可以采用三个连续的制造步骤来制造采用氧化的PAN纤维、碳化和CVI密化方法生产的C/C部件。首先，利用各种纺织制造技术制造纤维预成型件。典型地，纤维预成型件由氧化的聚丙烯腈(PAN)纤维(“OPF”)制成。尽管在本领域用于由OPF制造纤维预成型件的多种技术是已知的，但是常用的技术包括堆叠OPF层以使所-->述层叠加。然后，采用倒钩纺织针垂直于所述层对添加的层进行针刺。针刺处理产生与纤维层垂直地延伸通过纤维预成型件的一系列z-纤维。通过在层内(x-y或平面内)进行针推动纤维的动作并沿z-方向(通过厚度)使纤维重新定向，产生z-纤维。可以随着一层或多层被添加到叠层而完成对纤维预成型件的针刺，或者可以在形成整个叠层后完成对纤维预成型件的针刺。针也可以只穿入预成型件的一部分，或者可以穿透整个预成型件。另外，有时通过在构建后将树脂注射到预成型件中或者在形成纤维预成型件前对纤维或层进行涂覆，将树脂添加到纤维预成型件。在制成纤维预成型件后，纤维预成型件被碳化，从而将OPF转化成碳纤维。典型地，通过将预成型件放置在具有惰性环境的炉中而使纤维预成型件被碳化。本领域技术人员可以理解，炉的热量导致从预成型件馏出非碳化学物质的化学转化。一般来讲，得到的预成型件与在碳化之前的纤维预成型件具有相同的纤维结构。然而，优选OPF已经被转化为几乎100％的碳。在预成型件已经被碳化后，预成型件被密化。一般来讲，密化包括用另外的碳材料填充纤维预成型件的空隙或孔。这可以采用用于碳化的相同的炉或不同的炉完成。典型地，采用化学汽相渗透和沉积(“CVI/CVD”)技术对具有碳基体的多孔纤维预成型件进行密化。这通常包括对炉和碳化后的预成型件进行加热，并且使烃类气体流入炉中并围绕和通过纤维预成型件。结果，来自烃类气体的碳从气体中分离并被沉积在纤维预成型件上和纤维预成型件内。当完成密化步骤时，得到的C/C部件具有碳纤维结构，同时碳基体渗透纤维结构，由此得到名称“C/C”。
技术实现思路
本专利技术描述了用于制造C/C部件的方法。该方法包括形成纤维预成型件、碳化所述纤维预成型件并密化所述纤维预成型件。所述形成步骤可以包括叠加OPF层并针刺所述层，从而通过纤维层的叠层形成-->z-纤维。所述碳化步骤可以包括在碳化期间采用静重、多个重物或者可选技术压缩各个OPF纤维预成型件或者OPF纤维预成型件的叠层。作为优选，纤维预成型件被挤压，直到设置在相邻分隔板周围的挡块阻止进一步压缩。在所述碳化步骤后，得到的压缩的碳化后的纤维预成型件保持该纤维预成型件的尺寸，以便转移到密化炉。所述密化步骤可以包括引导围绕纤维预成型件和通过纤维预成型件的热的烃类气体，从而在纤维预成型件的孔内沉积碳基体。以下将描述并且在附图中示出了其它详细内容和优点。附图说明通过结合附图阅读以下说明，本专利技术可以被更充分地理解，其中：图1是针刺操作的示意性视图；图2是示出了从矩形预成型件切割的环形纤维预成型件的立体图；图3是在碳化之前碳化炉的示意性视图；图4是在碳化之后碳化炉的示意性视图；和图5是密化炉的示意性视图。具体实施方式现参考附图尤其是参考图1，图1示出了可用于形成纤维预成型件10的针刺操作的示意图。典型地，通过在彼此的顶部上叠加多个纤维层12来形成纤维预成型件10。通常纤维层12由聚丙烯腈氧化纤维(“OPF”)制成。纤维层12可以采用各种方式制造，并且可以包括离散纤维(短纤维)或连续纤维、单向或交叉层状纤维或编织结构。纤维层12还可以采用各种方式进行预处理，例如预针刺处理，从而使纤维层更密合。作为优选，纤维层12一层一层被放置在彼此的顶部上。在每个纤维层12被放置在纤维层12的叠层14的顶部后，采用针刺头16针刺叠层14。可以采用多种类型的针刺技术。然而，如图所示，大多数针-->刺处理包括以往复的方式上下运动的针刺头16。旋转轮18和偏心连接杆20可以被用来完成期望的往复运动。多个带倒钩的针22面对纤维层12的叠层14，并且随着针刺头16向下行进，带倒钩的针22穿入纤维层12。因此，针22的倒钩将纤维从一个纤维层推动到下一个纤维层12，从而形成垂直地延伸通过纤维层12的z-纤维。针刺从平面内方向拉动纤维，并迫使纤维成为z-纤维方向，从而减少平面内纤维含量，这样可以降低在最终的合成物中的高能量摩擦性能和平面内机械强度。总体来讲，针刺处理具有将单个纤维层互锁到一起的作用。因此，在针刺后，纤维预成型件10具有在三个不同方向(即，沿纤维层12的平面中的x方向和y方向以及与纤维层12垂直的z方向)延伸的纤维。通过来回移动支撑床24或者将针刺头16沿叠层14的表面重新定位，可以对纤维层12的叠层14的整个表面进行针刺。作为优选，除了当针刺叠层14中的底层时以外，针22只穿入纤维层12的一部分，同时每次向下的行程都不穿透纤维层12的整个叠层14。如图2所示，在所有纤维层12已经被放置在叠层14上并且叠层14已经被针刺以后，可以从纤维层12的叠层14切出环形件16。得到的纤维环形预成型件26基本上由沿三个方向延伸通过纤维预成型件26的PAN或OPF和延伸穿过纤维预成型件26的孔或开放空间构成。在优选实施方式中，没有其它材料(例如树脂等)被用于形成纤维预成型件26。另外，纤维预成型件26优选不将任何压缩压力施加到纤维预成型件26而形成，而是通过将在针刺期间由针22所施加的压力施加到纤维预成型件26而形成。因此，OPF预成型件的纤维量(即，纤维的量与预成型件的量的比率)在大约35％至55％之间。根据最终的制动材料的特定性能要求，在形成纤维预成型件后的纤维体积比可以变化以满足特殊要求。在某些实施方式中，优选采用低的或中度的针刺密度，同时在针刺后纤维体积比在大约35％至50％之间。例如，在采用中度的针刺密度针刺的纤维预成型件中，OPF纤维体积比在45％至50％之间。在某些实施方式中，低的针刺密度，例如纤维体积比在35％至45％之间也可能是所需要的。-->转到图3和4，环形纤维预成型件26被放置在用于碳化的炉28中。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造碳－碳部件的方法，该方法包括：　形成纤维预成型件，所述纤维预成型件包括沿多个方向延伸的纤维并具有延伸通过所述纤维预成型件的孔，其中，在所述形成步骤后所述纤维预成型件的纤维体积比在大约３５％至大约５５％之间；　通过加热所述 纤维结构使所述纤维预成型件碳化，从而将所述纤维基本上转化成碳纤维，并且在所述碳化步骤期间将压力施加到所述纤维预成型件，从而压缩所述纤维预成型件的厚度大约２５％或者更大，从而增大所述纤维预成型件的纤维体积比，其中，在所述碳化步骤后所述纤维预成型件的纤维体积比是大约２５％或者更大；和　通过在所述孔的至少一部分内沉积碳基体，密化所述纤维预成型件。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】US 2006-2-14 11/353,8831.一种制造碳-碳部件的方法，该方法包括：形成纤维预成型件，所述纤维预成型件包括沿多个方向延伸的纤维并具有延伸通过所述纤维预成型件的孔，其中，在所述形成步骤后所述纤维预成型件的纤维体积比在大约35％至大约55％之间；通过加热所述纤维结构使所述纤维预成型件碳化，从而将所述纤维基本上转化成碳纤维，并且在所述碳化步骤期间将压力施加到所述纤维预成型件，从而压缩所述纤维预成型件的厚度大约25％或者更大，从而增大所述纤维预成型件的纤维体积比，其中，在所述碳化步骤后所述纤维预成型件的纤维体积比是大约25％或者更大；和通过在所述孔的至少一部分内沉积碳基体，密化所述纤维预成型件。2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述纤维预成型件采用OPF形成。3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述形成步骤包括叠加多个纤维层以形成叠层，和针刺所述纤维层以形成垂直于所述纤维层延伸的z-纤维，并且沿所述z-纤维的方向施加所述压力。4.根据权利要求3所述的方法，其中，在将另外的纤维层叠加在所述叠层上之前，所述纤维层的一部分被针刺，并且在叠加另外的纤维层之前的所述针刺不穿过所有下面的层。5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述形成步骤包括在将所述纤维层叠加在所述叠层上并针刺所述纤维层之后，从所述纤维层切割环形件。6.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述密实步骤后，所述纤维预成型件的热比率是大约0.55或更小。7.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述密实步骤后，所述纤维预成型件的热比率在大约0.55至大约0.8之间。8.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述形成步骤后，所述纤维预成型件的所述纤维体积比在大约35％至大约45％之间，和在所述碳化步骤后，所述纤维预成型件的所述纤维体积比在大约25％至大约30％之间。9.根据权利要求8所述的方法，其中，在所述密实步骤后，所述纤维预成型件的热比率是大约0.55或者更小。10.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述形成步骤后，所述纤维预成型件的所述纤维体积比在大约50％至大约55％之间，和在所述碳化步骤后，所述纤维预成型件的所述纤维体积比在大约28％至大约30％之间。11.根据权利要求10所述的方法，其中，在所述密实步骤后，所述纤维预成型件的热比率是大约0.8或者更大。12.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述形成步骤后，所述纤维预成型件的所述纤维体积比在大约40％至大约45％之间，并且在所述碳化步骤后，所述纤维预成型件的所述纤维体积比在大约27％至大约30％之间。13.根据权利要求12所述的方法，其中，在所述密实步骤后，所述纤维预成型件的热比率是大约0.55或者更小。14.根据权利要求3所述的方法，其中，在所述形成步骤后，所述纤维预成型件的所述纤维体积比在大约45％至大约50％之间，并且在所述碳化步骤后，所述纤维预成型件的所述纤维体积比在大约27％至大约30％之间。15.根据权利要求14所述的方法，其中，在所述密实步骤后，所述纤维预成型件的热比率在大约0.55至大约0.8之间。16.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在所述碳化期间将压力施加到所述纤维预成型件包括：将多个所述纤维预成型件一个堆叠在另一个的顶部上，第一板被设置在所述纤维预成型件和上面的纤维预成型件之间，和第二板被设置在所述纤维预成型件和下面的纤维预成型件之间，挡块被设置在所述第一板和所述第二板之间，和间隙被初始设置在所述挡块与所述第一板和所述第二板中的一个之间，静重被设置在纤维预成型件的所述叠层上，从而将向下的压力施加到所述叠层中的所述纤维预成型件上，其中，所述纤维预成型件在所述碳化期间被所述静重压缩，直到所述间隙被消除并且所述挡块邻接所述第一板和所述第二板。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述静重至少是150lbs。18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述在所述碳化期间将压力施加到所述纤维预成型件包括：将多个所述纤维预成型件一个堆叠在另一个的顶部上，所述纤维预成型件中的至少两个被设置在第一板和第二板之间，挡块被设置在所述第一板和所述第二板之...

【专利技术属性】
技术研发人员：JS林克，CT柯克帕特里克，
申请(专利权)人：古德里奇公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]