制备用于由碳/碳复合材料制造环形部件的三维纤维预成型体的方法技术

本发明专利技术提供了一种制备用于由碳/碳复合材料制造环形部件的三维纤维预成型体的方法，所述方法包括堆叠由碳纱或碳丝束组成的纤维片材的层，当所述层重叠时逐一针刺所述层以将它们结合在一起，以及通过增加位于所述纤维预成型体的一半厚度处的纤维片材的层的纤维密度而局部改变所述纤维预成型体的电磁性质。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及制备三维纤维预成型体。本专利技术的特定应用领域为制备用于由碳-碳(C-C)复合材料制造环形部件，特别是制造刹车盘的三维纤维预成型体。
技术介绍
由复合材料，特别是具有碳纤维加强件和碳基体的复合材料(碳/碳复合材料) 制成的刹车盘是公知的。制造所述刹车盘包括制备环形纤维预成型体以及用基体将所述环形纤维预成型体致密化。纤维预成型体通常通过堆叠纤维片材的层或片层，并通过将所述层结合在一起 (通常通过针刺)而制得。所述纤维片材可以是线性的，在此情况中，预成型体的环状形状通过从由所述纤维片材的堆叠层组成的所得块切割出盘而获得。或者，所述纤维片材可以是螺旋形的，则预成型体的环状形状直接通过堆叠和针刺纤维片材的层而获得。以此方式获得的环形纤维预成型体通常通过化学汽相渗透(CVI)，或通过使用液体技术(用作为基体前体的树脂浸渍，并热解所述树脂)进行致密化。本专利技术更特别适用的另一已知的致密化方法为膜沸腾。其包括将环形纤维预成型体置于反应器中的两个螺旋电感线圈之间，所述反应器填充了在环境温度下为液体的碳前体，使得所述预成型体和电感线圈完全浸入液体中。之后通过电磁耦合加热所述预成型体直至其内部温度达到大约1000°c，由此使前体在预成型体内裂解并随后导致碳基体沉积。膜沸腾致密化相比于常规用于制造刹车盘的CVI致密化的优势在于其致密化的高速度(比使用气态技术的致密化快约100倍)。通过在预成型体的中心与其通过沸腾前体冷却的表面之间建立陡峭的温度梯度而使得这些反应动力学成为可能。因此致密化优选在材料的中心进行，而不在材料的表面进行(如当通过CVI致密化时所发生)，因此有可能使用产生快速反应动力学的条件。该特定的致密化方法与预成型体本身的特性密切相关。特别地，纤维加强件的结构、所用的纤维类型、预成型体中的缺陷等，都对在电磁耦合过程中产生的温度分布具有显著的影响，并因此影响致密化预成型体的速度。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提出一种制备纤维预成型体的方法，所述纤维预成型体能够使其通过膜沸腾的致密化的速率得以改进。该目的通过一种制备纤维预成型体的方法而得以实现，根据本专利技术，在该方法的过程中通过增加纤维片材某些层中的纤维密度而局部改变纤维预成型体的电磁性。纤维密度得以局部增加而不改变组成纤维片材的碳纱或碳丝束的性质。该增加用于增强预成型体在其特定区域中所经受的电磁耦合。通过适当选择该区域，有可能加速预成型体通过膜沸腾的致密化。有利地，增加位于纤维预成型体的一半厚度处的纤维片材的层的纤维密度。通过增强预成型体的一半厚度处的电磁耦合，这种预成型体的致密化将在预成型体的该区域中开始，因此每个致密化前沿仅需穿过预成型体的一半厚度。这产生更快速的致密化循环。在本专利技术的另一实施方案中，纤维密度增加的纤维片材的层经受参数与其他层所经受的针刺的参数不同的针刺。因此，纤维密度增加的纤维片材的层可经受针刺密度大于其他层所经受的针刺的针刺密度的针刺。例如，这些层可经受针刺密度为约每平方厘米60冲程(冲程/平方厘米)的针刺，其他层经受针刺密度为约30冲程/平方厘米的针刺。或者，纤维密度增加的纤维片材的层经受针的穿透深度大于其他层所经受的针刺的针的穿透深度的针刺。例如，这些层可经受针的穿透深度在14. 5毫米(mm)至15. 5毫米范围内的针刺，其他层经受针的穿透深度为约12. 5毫米的针刺。在本专利技术的另一实施方案中，纤维密度增加的纤维片材的层显示大于其他层的重量的重量。例如，这些层可显示每平方米1100克(克/平方米)量级的重量，而其他层显示700克/平方米量级的重量。具体实施方式本专利技术涉及制备特别地但不排他地用于由碳-碳(C-C)复合材料制造刹车盘的三维纤维预成型体。由复合材料，特别是由具有碳纤维加强件和碳基体的复合材料(碳/碳复合材料) 制造刹车盘包括由纤维片材(每个纤维片材由碳的纱或丝束组成)制备环形纤维预成型体，以及用基体致密化所述环形纤维预成型体。当通过膜沸腾进行致密化时，以常规方式将环形纤维预成型体置于反应器中的两个螺旋电感线圈之间。之后用在环境温度下为液体的碳前体填充所述反应器以完全浸没所述预成型体和电感线圈。由于预成型体由导电的纱或丝束制成，可以通过电磁耦合直接将其加热直至其内部温度达到大约1000°c，由此导致前体在所述预成型体内裂解，继而导致碳基体沉积。为了加速膜沸腾过程，本专利技术寻求在该操作过程中在纤维预成型体的特定区域内增强电磁耦合。为此目的，本专利技术提供了通过增加形成纤维预成型体的某些层的纤维密度(并因此增加导电性)而局部改变纤维预成型体的电磁性质。理想地，由于纤维预成型体具有环状形状，纤维密度的局部增加涉及位于预成型体中间厚度处的片材。下文描述了根据本专利技术制得的纤维预成型体的两种特定实施方案。不论哪种实施方案，都应观察到实现了本专利技术的纤维预成型体的某些片材的纤维密度的局部增加而无需改变纤维片材中的纱或丝束的性质。实施例1 由具有对针刺参数的改变的线性片材制备纤维预成型体在该实施例中，纤维预成型体由二维线性片材制得，所述二维线性片材由碳纱或碳丝束(例如氧化的聚丙烯腈(PAN)长丝的丝束)组成。线性片材的层或片层在针刺台上互相堆叠，当所述层或片层重叠时逐一针刺所述层或片层以形成块。之后从所述块切割出环形纤维预成型体。在制备纤维预成型体时所用的针刺台本身是公知的，因此不在本文中作详细描述。简言之，所述针刺台包括放置线性片材的水平工作表面，用于在所述表面上驱动所述片材的装置，和设置为相对于所述表面垂直往复运动的针头。针头携带提供有倒钩(barbs)、钩(hooks)或叉的针，所述针用于从预成型体的堆叠层挑出纤维，并在穿透预成型体时拉动纤维穿过层。此外，每次针刺新的层时，通过适宜的驱动装置将针刺台的工作表面垂直移动对应于针刺层的厚度的预定向下位移。当使用这种针刺台时，可以改变的针刺参数特别地包括针刺密度，即当层在针头下通过时每平方厘米(cm2)针刺的层所接收的冲程数，以及针进入预成型体的穿透深度。在该实施方案中，纤维预成型体由21个的线性片材的层的堆组成，所述线性片材本身由氧化的PAN长丝的丝束组成。堆叠线性片材的首先两个层，之后以30冲程/平方厘米的针刺密度和穿透约12. 5 毫米的针将所述两个层针刺在一起。堆叠以下七个层，并使用相同的针刺密度(即30冲程/平方厘米)逐一针刺所述七个层，同时使针刺台的工作表面以确保针的穿透深度保持恒定(即约12. 5毫米)的方式向下移动。将以下三个层(即第10层、第11层和第12层)叠放在首先九个层上，并以大于针刺首先九个层所用的针刺密度的针刺密度逐一针刺所述三个层，以在这些层中增加纤维也/又。例如，选择60冲程/平方厘米的针刺密度，并设定针刺台的工作表面向下移动以确保针的穿透深度保持恒定在12. 5毫米。可易于理解，当位于预成型体的中间厚度处的三个层在针头下自动通过时，增加所述三个层所接收的每平方厘米的冲程数用于增加穿过这些层的针数，并因此增加从下层传递进入这三个特定层的纤维数。这导致了所述三个层的纤维密度的增加。最后，将以下九个层堆叠在首先12个层上，并使用与首先九个层所用的相同的针刺密度和相同的针穿透深度而逐一针刺所述九个层。在该实施方式的一个变体中，线性片材的所有21个层的针刺本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：V·德莱克鲁瓦，K·常，
申请(专利权)人：马塞尔布加蒂道蒂股份有限公司，
类型：发明
国别省市：