带有预定Z-纤维分布之纤维结构及其成形方法技术

本发明专利技术涉及用针刺法形成纤维结构的领域，本发明专利技术提供一种针刺方法，用一系列针刺，通过控制在形成纤维结构期间的转移深度，在纤维结构中获得所需要的Ｚ－纤维分布。每个针刺都产生穿进相邻纤维层的部分Ｚ－纤维束，Ｚ－纤维束只穿进那些需要更多纤维束的相邻纤维层，以便在每个纤维层内获得预定数量的Ｚ－纤维束。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术的涉及用纤维材料形成纤维结构的领域，更具体一些讲，本专利技术涉及一种用于连接多个纤维层的工艺方法，该多个纤维层具有在相邻纤维层之间穿过的Z-纤维束预定分布。用于形成纤维预成形结构而作为在复合结构中使用的针刺工艺是众所周知的技术，已经有许多年了。由Carlson等人申请的US3,772,115号专利介绍了一种工艺，可以同时或者用多个针刺步骤将好几个纤维层针刺在一起，该针刺工艺包括将许多根钩针重复地扎进纤维层内，钩针在纤维层内使纤维产生移位，从而引起纤维层连接成连接在一起的结构，如果最终结构太厚而无法使钩针全部穿透，则可以采用添加纤维层并用一系列针刺步骤的办法，而逐渐增加地形成这种结构，纤维层含有碳或者石墨织物或者其前体，可以将根据该工艺形成的纤维预成形结构进一步加工成一种碳/碳复合结构，方法是在纤维预成形结构内沉积碳基质，将纤维连接在一起。该工艺可以用于形成多种复合结构，包括碳/碳制动盘。1979年8月1日公开的英国专利说明书介绍了一种类似工艺，该工艺也介绍了用于形成一种碳/碳复合材料的方法，纤维层可以含有氧化丙烯腈织物，它是用一系列针刺步骤被针刺在一起的，在一个实施例中，用该工艺形成了一种碳制动盘。由Pierre Olry申请US4,790,052号专利披露了一种较新的工艺，目的是生产一种具有高均匀度的纤维预成形结构，这主要是通过针刺叠加纤维层在一起而实现的，在制品整个厚度上具有针刺的“均匀密度”，穿过的初始深度根据由刺针横向往复穿过的层数(例如大约20层)而定，该工艺要求在整个纤维预成形结构形成过程中保持该深度不变，具体方法是降低纤维结构，使其离开刺针距离等于每次加入新纤维层的针刺层厚度。同为Lawton等人申请的于1990年9月11日授权的US4,955,123号专利以及于1992年3月19日公开的PCT公开申请WO92/04492介绍了一种通过将环形面针刺在一起而形成制动盘的工艺，每次加入新纤维层时，就使纤维层结构降低一针刺层的厚度。由Smith等人申请的于1995年2月14日授权的US5,338,320号专利(作为US4,955,123号专利部分内容的后续申请)介绍了在针刺过程中在预成形结构的外层“富含”短纤维的一种工艺，在该工艺中，富含短纤维的外层明显增加了外纤维层中的机械强度，并且，提高了所形成片状制动面的耐磨损性能。在纤维预成形技术中，由于用针刺法产生的移位纤维通常与具有纤维预成形结构的纤维层垂直，所以将该移位纤维称为“Z-纤维”。在使飞机降速以及止动过程中，在整个制动盘内的Z-纤维分布对于提高制动盘耐用寿命以及制动盘在对一飞行物的减速或制动性能都具有极大的影响，因此一般都希望得到一种具有改善耐磨性的同时又维持其强度和制动性能的制动盘。所以，很需要一种具有预定Z-纤维分布的纤维结构以及一种用于形成带有预定Z-纤维分布之纤维结构的方法。根据本专利技术的第一个方面，提供一种用于形成纤维结构的方法，包括以下步骤将一纤维层集叠置在一起并用多次针刺将纤维层集针刺在一起，该纤维层集内产生一Z-纤维束集，每次针刺都产生一部分穿过相邻纤维层的Z-纤维束集，每部分Z-纤维束只穿过那些需要更多Z-纤维束的相邻纤维层，以便在纤维层集中的每个纤维层内获得预定数量的z-纤维束。根据本专利技术的第二个方面，提供一种用于形成纤维结构的工艺方法，包括以下步骤用一系列针刺将纤维层集连接在一起，每次针刺包括将至少一层纤维层叠加到由前次针刺而先行连接在一起的纤维层之上，而且产生出从至少一个纤维层伸进先前连接在一起的纤维层内的Z-纤维束，在后续针刺期间，每个先前连接的纤维层都接受到Z-纤维束，直到在那个纤维层内Z-纤维束的数量达到其要求达到的z-纤维束的预定数量为止，从而在纤维层集中的每一个纤维层都具有该纤维层所要求的Z-纤维束的预定数量。根据本专利技术的第三个方面，提供一种用于形成纤维结构的工艺方法，包括以下步骤确定 每次针刺时，由Z-纤维束穿过的相邻纤维层的理想数量，这样，在每一层中，由每一次针刺在每一层中产生的Z-纤维束总数等于对该纤维层所要求的Z-纤维束的预定数量；以及将纤维层集叠置并用一系列针刺将其针刺在一起并在纤维层集内产生Z-纤维束集，由每次针刺的Z-纤维束穿过所需数量的相邻的纤维层，从而在纤维层集中的每一纤维层都获得理想数量的Z-纤维束。根据本专利技术的第四个方面，提供一种用于形成纤维结构的工艺方法，包括以下步骤在一叠置的纤维层集内形成在纤维层之间穿过的Z-纤维束集，所说的叠置的纤维层集包括具有一个下纤维层和一个上纤维层的第一组纤维层，在该第一组纤维层内的每一纤维层都具有一定数量的Z-纤维束产生于该纤维层内，并且穿过位于该纤维层之下的数个纤维层，而不穿过位于该纤维层之下的所有纤维层，所述纤维层的数量由下纤维层向上是增加的。根据本专利技术的第五个方面，提供一种纤维结构，它包括包括具有下纤维层与上纤维层之第一组纤维层的一叠置纤维层集；以及在位于纤维层集内的纤维层之间穿过的Z-纤维束集，在第一组纤维层内的每一纤维层都有一部分Z一纤维束产生于该纤维层内，并且刺进其下面的纤维层，而不穿过所有在其下面的部分纤维层，Z-纤维束部分穿过一其纤维层的数目从下纤维层向是纤维在增加的纤维层。所以，本专利技术提供一种用于在纤维结构中控制Z-纤维分布的方法，本专利技术也包括具有所要求的Z-纤维分布的一种纤维结构，本专利技术尤其适宜于生产用于碳/碳飞机制动盘的纤维预成形结构。附图说明图1表示适用于本专利技术的一台针刺设备的总示意布置图。图2表示一种用图1设备的针刺过程的详图。图3表示一种在图2针刺过程中产生的Z-纤维束的详图。图4A表示用于确定最小纤维转移距离之方法的第一部分。图4B表示用于确定最小纤维转移距离之方法的第二部分。图5A表示根据本专利技术一个方面多次针刺中的第一次针刺。图5B表示根据本专利技术一个方面多次针刺的第二次针刺。图5C表示根据本专利技术一个方面多次针刺的第三次针刺。图5D表示根据本专利技术一个方面多次针刺的第四次针刺。图6表示图5A-5D针刺的估算表面位置与针刺次数的曲线图。图7A表示根据本专利技术另一个方面多次针刺的第一次针刺。图7B表示根据本专利技术另一个方面多次针刺的第二次针刺。图7C表示根据本专利技术另一个方面多次针刺的第三次针刺。图7D表示根据本专利技术另一个方面多次针刺的第四次针刺。图8表示图7A-7B针刺时的估算表面位置与针刺次数的曲线图。图9表示根据本专利技术的一个方面说明含有纤维预成形结构纤维层的针刺后的平均层厚度与纤维层数量的关系的压实曲线图。图10表示根据本专利技术另一个方面说明气流法纤维毡层厚度与针刺次数的关系的压实曲线图。图11表示根据本专利技术另一个方面，示出用于对每一纤维层定量永久性纤维转移以及确定每一纤维层永久性纤维转移的累积量的斜的行列式，以及单位面积上Z-纤维束的数量。图12表示某些变量与针刺过程的几何结构之间的关系。图13表示根据本专利技术另一个方面，示出用于定量每一纤维层永久性纤维转移和用于控制每一纤维层永久性纤维转移的之累积量的斜的行列式，以及单位面积上Z-纤维束的数量。图14A表示用于确定图13针刺2所要求的纤维转移深度的一个数表。图14B表示用于确定图13针刺3所要求的纤维转移深度的另一个数表。图14C表示用于确定图13针刺2本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于形成纤维结构的方法，包括步骤： 将一纤维层集叠置在一起并通过多次针刺将纤维层集针刺在一起，该纤维层集内产生一Ｚ－纤维束集，每次针刺都产生穿过相邻纤维层的Ｚ－纤维束集的一部分，每部分Ｚ－纤维束只穿过那些需要更多Ｚ－纤维束的相邻纤维层，以便在纤维层集中的每个纤维层内获得预定数量的ｚ－纤维束。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：PW施翰，RSH利，
申请(专利权)人：BF谷德里奇公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]