BRPI0612015A2 - Método de produção de peças de material composto, substrato fibroso para produção de peça de material composto, e, peça de material composto compreendendo reforço fibroso densificado por matriz - Google Patents

Abstract

MéTODO DE PRODUçãO DE PEçAS DE MATERIAL COMPOSTO, SUBSTRATO FIBROSO PARA PRODUçãO DE PEçA DE MATERIAL COMPOSTO, E, PEçA DE MATERIAL COMPOSTO COMPRENDENDO REFORçO FIBROSO DENSIFICADO POR MATRIZ. Uma peça de material do composto é feito pela produção de um prototipo fibroso (20), formação de orifícios (22) extendendo-se de dentro do prototipo de no minimo uma face, em densificação do prototipo com uma matriz formada no minimo em parte por um processo do tipo infiltração por vapor químico (CVI). Os orifcios (22) são formados por remoção de material do prototipo com fibras sendo rompidas, por exemplo tratamento mecânico usando um jato de água sob pressão, o arranjo das fibras no prototipo com os orifícios sendo substancialmente não alterado comparado com o arranjo inicial antes dos orifícios terem sido formados. Isto permite que o gradiente de densificação seja grandemente reduzido, e se faz possível em apenas um único ciclo de densificação obter uma densidade que, no estado da tecnica, requer uma pluralidade de ciclos separados por escalpe intermediário.

Description

"MÉTODO DE PRODUÇÃO DE PEÇAS DE MATERIALCOMPOSTO, SUBSTRATO FIBROSO PARA PRODUÇÃO DE PEÇA DEMATERIAL COMPOSTO, E, PEÇA DE MATERIAL COMPOSTOCOMPRENDENDO REFORÇO FIBROSO DENSIFICADO POR MATRIZ".

A presente invenção reporta produção de componentes de materialcomposto através da formação de substrato fibroso e densificação do substratopor uma matriz, esta formada por método do tipo infiltração por vapor químico(CVI). Um campo particular mas não exclusivo de aplicação para a invenção é aprodução de discos para freios de carbono/carbono (C/C), em particular para freiosde aeronaves compreendendo um conjunto de discos sobre um eixo comumalternando-se entre discos estáticos e discos rotatórios. Todavia, a invenção éaplicável para produção de outras partes de componentes compostos C/C ou deoutro material composto, em particular material composto de cerâmica (CMC).

Densificação de substratos porosos, tais como substratos fibrosos ouprotótipos, usando métodos tipo CVI são bem conhecidos.

Em um processo CVI convencional, os substratos para densificaçãosão colocados em um forno. Uma reação gasosa é praticada no forno com oobjetivo de depositar o material que constitui a matriz no interior dos poros dosubstrato pela decomposição de um ou mais ingredientes do gás, ou pela reaçãoentre uma pluralidade de ingredientes sob determinadas condições de temperaturae pressão.

Também conhece-se um método onde o substrato para densificaçãoé posicionado em um reator no qual é aquecido na presença de um precursor domaterial que constitui a matriz. O precursor apresenta-se no estado líquido noreator e o substrato é aquecido, por exemplo, através da passagem de umacorrente elétrica ou por acoplamento eletromagnético com uma serpentina, osubstrato sendo feito de fibras condutoras de eletricidade tais como fibras decarbono. Tal processo é descrito em particular nos documentos de patenteUS4472454, US5397595 ou US5389152 e algumas vezes referenciados comodensificação por calefação. Uma vez que o precursor é vaporizado sobre osubstrato aquecido, considera-se aqui que tal processo é um "processo dedensificação do tipo CVI" ou "processo do tipo infiltração de vapor químico". Emoutras palavras, o termo "processo do tipo CVI" é usado neste documento e suasreivindicações de modo a cobrir tanto um processo convencional de infiltração devapor químico e um processo de densificação por calefação.

Umas das maiores dificuldades com processos do tipo CVI éminimizar o gradiente de densificação dentro dos substratos de tal forma a obterpartes tendo propriedades que são tão uniformes quanto possível através daextensão de seus volumes.

Deposição de matriz tende a tomar lugar preferencialmente nasporções superficiais do substrato uma vez que estas são as primeiras a seremexpostas ao gás reagente. Como resultado, o gás que difunde-se ao núcleo dosubstrato é depletado e os poros nas porções superficiais do substrato ficamobstruídos precocemente, assim reduzindo progressivamente a capacidade do gásde difundir-se até o núcleo. Este fenômeno leva a um gradiente de densificaçãoque estabelece-se entre as porções superficiais e os núcleos do substrato.

É por este motivo, em particular quando produzindo componentesque são espessos, que é necessário na prática, uma vez que um certo grau dedensificação tenha sido atingido, interromper o processo e remover os substratosparcialmente densificados de modo a lixar suas superfícies em uma operaçãoconhecida como 'escalpo' a qual serve para reabrir a superfície dos poros.Densificação pode então ser continuada com a reação por gás tendo acessofacilitado a difusão aos núcleos dos substratos. Na forma de um exemplo, quandoproduzindo discos de freios é prática comum fazer no mínimo dois ciclos dedensificação CVI (ciclos 11 e 12) com uma operação de escalpo intermediária. Naprática, um gradiente de densificação é todavia observado nas partes que sãofinamente obtidas.

De modo a evitar a criação de um gradiente de densificação, e entãopossivelmente evitar as operações de escalpo, sabe-se da necessidade deimplementar um método de densificação CVI que envolva um gradiente detemperatura, isto é, aquecimento do substrato de modo não uniforme.Aquecimento não uniforme através de acoplamento entre uma serpentina deindução e um ou mais substratos anulares para densificação é descrito nosdocumentos US5846611 e EP0946461. Deposição de matriz em áreas desubstrato que são menos facilmente acessíveis ao gás é proporcionada através doaquecimento dessas zonas a temperaturas maiores que aquelas de outrasporções do substrato. Todavia, esta técnica é limitada a substratos de certasformas e tipos e limitado a certos arranjos de pilhas de substratos no forno.

O documento de patente US5405560 propõe facilitação do acesso dareação por gás ao interior dos substratos consituidos por protótipos anulares defibras para discos de freio feitos de compostos C/C por intermédio de passagensna forma de orifícios que atravessam os protótipos, entre suas faces opostas. Osorifícios são proporcionados por agulhas que afastam as fibras no protótipo, semdanificá-las. Durante a densificação CVI, os orifícios proporcionam ao gásmenores rotas de acesso às regiões centrais dos protótipos. Testes executadospelos requerentes tem todavia mostrado que esta técnica apresenta limitações noque diz respeito a minimização do gradiente de densificação, como mostradoabaixo. O documento paralelo FR2616779 de fato menciona a possibilidade deproduzir orifícios por intermedio de fluidos sob pressão que podem destruir fibrasparcialmente, recomendando evitar a danificação de fibras.

Orifícios produzidos em discos de freios novos feitos de materialcomposto C/C são também descritos no documento FR2144329. Todavia, estedocumento diz respeito a densificação de protótipos fibrosos de discos de freiospor uma técnica liquida, isto é, através de impregnação do protótipo com umaresina precursora de carbono, cuja resina é ligada por entrelaçamento (fortalecida)e então carbonizada ou grafitizada de modo a formar a matriz de carbono. Orifíciossão formados após a resina ter sido fortalecida e antes dela ser carbonizada ougrafitizada, os orifícios servindo para evacuar materiais voláteis durante acarbonização ou grafitização, e assim evitar que o gás seja confinado dentro damatriz de carbono. Este é um processo completamente distinto da densificaçãotipo CVI.

Objetivo da Invenção

Um objetivo da invenção é facilitar a difusão da reação por gásdurante processo de densificação do tipo CVI1 primeiramente de modo a obterdensificação praticamente uniforme das fibras do substrato na fabricação decomponentes de material composto, e posteriormente de modo a reduzir o númerode ciclos de densificação que são separados por estágios de escalpointermediários, ou possivelmente mesmo conseguir densficação em um único ciclouma vez que não é mais necessário reabrir os poros para estágios de escalpointermediário.

O objetivo é alcancado por um método de produção de componentesde material composto compreendendo preparação de um substrato fibroso,formação de orifícios atravéssando o substrato de pelo menos uma superfície aoutra, e densificação do substrato com uma matriz formada por no mínimo umaparte por um processo do tipo infiltração por vapor químico, método no qual osorifícios são formados no substrato pela remoção de material fibroso através desua quebra, o arranjo das fibras no protótipo proporcionado com orifícios sendosubstancialmente não modificados comparados com o arranjo inicial prévio ao dosorifícios a serem formados.

Como explicado a seguir, formação de orifícios no substrato atravésde remoção de material, com fibras sendo rompidas, torna possível,surpeendentemente, obter densificação praticamente uniforme do substrato,enquanto tal resultado é de longe não alcançado quando os orifícios são formadospela inserção de agulhas que tem um efeito não destrutivo nas fibras, comoobservado no estado da técnica. É possível também obter em um único ciclo umgrau de densificação que, ao contrario do observado no estado da técnica, requeruma pluralidade de ciclos separados por escalpos intermediários.

Os orifícios podem ser formados por processo mecânico usando umjato de água sob alta pressão.

Em outra implementação do método, os orifícios podem ser formadospor ação local térmica tendo efeito destrutivo no material das fibras, possivelmenteem associação com exposição a um meio oxidante. Isto pode ser aplicadoespecialmente para fibras de carbono. A ação térmica localizada pode serproduzida por radiação por laser.

Ainda em outra implementação do método, os orifícios podem serformados por ação mecânica usando uma ferramenta de velocidade muito alta talcomo uma furadeira, uma broca, ou uma cortadora, ou através de corte por umalâmina ou punção, ou um esmeril ou ainda eletro-erosão.

Os orifícios podem atravessar o substrato entre duas superfícies, ouentão podem ser orifícios cegos expondo-se unicamente em uma superfícies dosubstrato.

Adicionalmente, os orifícios podem ser formados ortogonalmenterelativos a superfícies do substrato no qual estes são expostos, ou podemestender-se na direção que não é ortogonal.

Com o substrato que forma o protótipo anular para um disco de freio,os orifícios resultantes podem ser orifícios que expõe-se em no mínimo uma dasfaces principais do protótipo perpendicularmente ao eixo da protótipo, ou orifíciosque expõe-se na superfície periférica externa e possivelmente na superfícieperiférica interna, sendo os orifícios então orientados em uma direção que é radialou substancialmente radial, ou orifícios podem ser uma combinação de ambostipos de orifício.

O diâmetro médio dos orifícios é selecionado de modo a evitar queestes tornem-se fechados por deposição de material de matriz antes do final doprocesso de densificação CVI. Um diâmetro médio girando ao redor de 0,05milímetros (mm) a 2 mm pode ser selecionado, por exemplo. Os orifícios são depequeno diâmetro e após a densificação podem não ter papel funcional duranteuso subsequente, por exemplo podem não fornecer qualquer função resfriadorapara um disco de freio.

A densidade dos orifícios é selecionada de modo a ser suficientepara proporcionar a reação por gás com rotas curtas a todas as porções dosubstrato o qual deseja-se ser densificado de forma praticamente uniforme. Naforma de um exemplo, é possível selecionar uma densidade girando na faixa decerca de 0,06 orifícios por centímetro quadrado (orifícios/cm2) a 4 orifícios/cm2,sendo esta densidade medida em termos de números de orifícios por unidade deárea em um semi-plano ou semi-superfícies do substrato. Em outras palavras, adistância ou deslocamento entre eixos de orifícios adjacentes preferivelmente girana faixa de 0,5 centímetros (cm) a 4 cm.

A densidade de orifícios no substrato fibroso pode ser constante demodo a proporcionar uma rota curta para a reação por gás de densificação damesma forma a todas as porções do substrato. Em uma variação do método, adensidade de orifícios pode variar, em cujo caso é possível selecionar a densidadecomo sendo maior naquelas porções do substrato onde, na ausência de orifícios, ocaminho para o gás é maior e a quantidade de matriz enviada/oferecida ao núcleodo substrato é menor, e selecionar uma densidade que é menor ou mesmo nulanaquelas porcos do substrato onde, mesmo na ausência de orifícios, a quantidadede matriz enviada/oferecida é elevada o suficiente/bastante. Assim, para substratonas forma de protótipos anulares para discos de freio, em particular para discos defreios de aeroplanos, com orifícios expostos em no mínimo uma das principaisfaces do substrato, a densidade dos orifícios pode variar e pode decrescer entreuma porção central do substrato correspondendo a uma faixa de rubbing do disco,e porções do substrato que são adjacentes a suas superfícies circunfericas internae externas..É possível formar orifícios na porção central somente do substrato quecorresponde ao rubbing track do disco de freio que será produzido.

A invenção também proporciona um substrato fiborso para produçãode componentes composite material part, o substrato tendo orifícios queextendem-se desde o interior do substrato até no minimo uma superfície, em cujosubstrato a densidade por unidade de volume de fibras na vizinhança das paredesdos orifícios no substrato não é significativamente maior que a densidade porunidade de volume de fibras em outras porções do substrato.

De acordo com as características do substrato, os orifícios sãodefinidos por zonas limite onde fibras tenham sido eliminadas ou rompidas.

A invenção também oferece uma parte de material compostocompreendendo reforço fibroso densificado por uma matriz obtida no mínimo emparte por processo do tipo infiltração por vapor químico e apresenta orifícios queextendem-se do interior do componente até no mínimo uma superfície da mesma,em cuja parte, o reforço fibroso é feito de um substrato como definidoanteriormente, ou uma parte na qual a densidade por unidade de volume dereforço fibroso na vizinhança das paredes dos orifícios não é significativamentemaior que a densidade por unidade de volume de fibras nas outras porções docomponente.

Breve Descrição das Figuras

A invenção pode ser melhor compeendida através da leitura daseguintes descrições dadas na forma de indicações não Iimitativas e feitas comreferência as figuras acessórias, nas quais :

- Figura 1 mostra os passos sucessivos na produção da peça dematerial composto numa implementação do método de acordo com a invenção;

- Figura 2 é um perfil diagramatico de perspectiva de uma protótipoanular fibroso para um disco de freio no qual orifícios são produzidos;

- Figura 3 é um perfil de seção fragmentar de uma escala aumentadado plano Ill da figura 2;

- Figuras 4 a 6 são perfis de seções mostrando formas variantes deorifícios que expõe-se a pelo menos uma das faces principais de um protótipoanular fibroso para um disco de freio;

- Figuras 7 a 11 mostram arranjos variantes de orifícios na superfíciesde substrato fibroso;

- Figuras 11 a 12 são perfis mostrando formas variantes de orifíciosexpondo-se em no mínimo uma face periférica externa de um protótipo anular paraum disco de freio;

- Figura 13 é um diagrama mostrando um disco de freio obtido apósdensificação CVI, e tratamento mecânico usando um protótipo do tipo mostrado nafigura 2;

- Figura 14 é um perfil do plano de um protótipo fibroso para um discorotor de um freio de aeronave no qual orifícios foram produzidos a densidadesvariadas;

- Figura 15 é um perfil altamende diagramático mostrando protótipoanular fibroso para discos de freios colcados em pilha em um forno dedensificação CVI; e

- Figura 16 é um grafico de curvas que mostra como a densidade deum disco obtido após densificação de protótipos da figura 14 varia entre acircunferências externa e interna, e a título de comparação a densidade varia emum disco após densificação de um protótipo similar, mas no qual os orifícios nãotenham sido formados.

Descrição Detalhada da Invenção

Um passo inicial 10 do método mostrado na figura 1 consiste emproduzir um substrato fibroso tridimensional (3D) ou protótipo fibroso contendo umformato próximo ao formato da peça de material composto que é desejado. Atécnica para produção de protótipos fibrosos é bem conhecida. É possível iniciarde elementos fibrosos uni-dimensionais (1D), tais como fibras elásticas oufilamentos que são costurados em um molde, ou que são usados para formar umsubstrato 3D diretamente por ondulação tridimensional, trançado ouentrelaçamento.

Também é possível iniciar de texturas fibrosas bidimensionais (2D)tais como telas, teias, entrelaçados planos, teias unidirecionais (UD) feitas defilamentos mutuamente paralelos ou fibras, ou ainda teias multidirecionais (nD)feitas de teias UD superpostas em diferentes direções e unidas, por exemplo, porcostura luminosa ou por entrelaçamento. Malhas feitas de tais texturas 2D sãosuperpostas através de costura em um molde ou sendo drapeadas em um moldeou um suporte, e unidas, por exemplo, por costura, por entrelaçamento, ou porimplantação de costuras através das malhas, de modo a obter um substrato 3D.

Um substrato 3D pode também ser obtido na forma de uma grossateia feito por costura orientando aleatoriamente fibras descontínuas.

Um substrato 3D obtido desta forma pode ser usado diretamentecomo protótipo fibroso para um componente que será produzido. Também épossível produzir um protótipo fibroso desejado através de corte de um substrato3D de modo a obter o formato desejado.

As fibras constituindo o protótipo são selecionadas em função daalocação da peça de material composto que será obtida. Com peças de materialcomposto termo-estruturados, isto é, materiais tendo boas propriedadesmecânicas e habilidade de conservá-las a altas temperaturas, as fibras do reforçofibroso do material são tipicamente feitos de carbono ou de cerâmica. O protótipopode ser feito de tais fibras, ou de fibras que são precursores para carbono oupara cerâmica e que podem ser melhor adequados a resistir às varias operaçõestexteis usadas para produção de substratos fibrosos 3D. Sob tais circunstâncias,depois que o substrato ou protótipo tenha sido feito, o precursor é transformadoem carbono ou cerâmica, usualmente por tratamento térmico.

Uma segunda etapa 12 do método consiste na formação de orifíciosno protótipo tal que melhore o acesso de uma reação por gás ao núcleo doprotótipo durante subseqüente densificação do tipo CVI. Quando o protótipo é feitode fibras de material obtido pela transformação de um material precursor, osorifícios podem ser formados no protótipo após o precursor ter sido transformadoou antes de dita transformação. Se estes são feitos antes do processo, deve sertido em conta de qualquer encolhimento que pode ocorrer durante a transformaçãodo precursor de tal modo a grantir que orifícios são obtidos do tamanho desejado.

Figuras 2 e 3 mostram um protótipo anular fibroso 20 feito de fibrasde carbono para fabricação de um disco de freio de carbono (C/C) material. Talprotótipo pode ser obtido através de corte de um substrato fibroso 3D na forma deplaca, por exemplo, feito por spbreposição e costura de malhas ou teiaunidirecional ou teia multidirecional de poliacrilonitrila pre-oxidada (PAN), umprecursor para carbono. O protótipo pode também ser obtido pela sobreposição ecostura anular de tecidos cortados unidirecionais ou multidirecionais ou teias defibras PAN pre-oxidadas. Após a confecção do protótipo anular feito de fibras PANpre-oxidadas, o PAN pre-oxidado é transformado em carbono por tratamentotérmico. Referências podem se rfeitas por exemplo aos documentos de patenteUS4790052 e US 5792715.

Orifícios 22 são formados no protótipo 20 paralelos ao eixo 21 eextrendem-se através de seu completo espessor entre as faces principais opostas20a e 20b nas quais os mesmos se expõe, cujas faces são perpendiculares aoeixo 21.

Numa forma variante, como mostrado na figura 4, orifícios cegos 22a,22b são formados no protótipo, os orifícios 22a expondo-se unicamente na face20a, enquanto os orifícios 22b expõe-se unicmente na face 20b, Deve serobservado que os orifícios 22a, 22b extendem-se sobre uma fração muito grandeda espessura do protótipo.

Em outra variante, os orifícios podem ser formados no bias, isto é,seus eixos podem formar um ângulo não-nulo relativo à normal das faces 20a,20b, ou ao eixo do protótipo 20, e o mesmo poder ser aplicado através dosorifíciols 22' (figura 5) ou aos orifícios cegos 22'a, 22'b (figura 6).

Na figura 2, os orifícios 22 estão dispostos a intervalos regulares aolongo de círculos concêntricos. Podem ser dispostos ao longo de uma linhaespiralada. Ademais, a despeito de se os protótipos fibrosos 20 são anulares ou sede algum outro formato, os orifícios 22 podem ser dispostos em padrõesdiferentes, por exemplo, nos vértices dos quadrângulos (figura 7), nos vertices e nocentros dos quadrângulos (figura 8), nos vértices de hexágonos (figura 9), ou nosvértices de triângulos equiláteros (figura 10). Para uma dada densidade deorifícios, a disposição do triângulo equilátero é mais favoravel para minimização docomprimento do caminho seguido por um gás de modo a alcançar todos os pontosdentro do protótipo desde os orifícios.

Figura 11 e 12 mostram outro formato no qual orifícios são formadosde modo a expor-se não dentro de um e/ou nas faces principais 20a, 20b doprotótipo 2, mas dentro da superfície periférica circunferencial externa 20c, eopcionalmente dentro da superfície periférica circunferencial interna 20d, com osorifícios extendendo-se radialmente ou substancialmente radiais.

Na figura 11, orifícios 22c são formados na porção mediai do disco.Os orifícios expõe-se na superfície externa 20c e estendem-se radialmente sobreuma porção maior da distância entre a superfície 20c e a superfície circunferencialinterna 20d, mas sem expor-se nesta.

Na figura 12, orifícios 22d, 22e são formados no porção média dodisco, os orifícios 22d sendo orifícios atravessadores extendendo-se radialmenteentre a superfície 20c e a superfície 20d, enquanto os orifícios 22e são orifíciosnão atravessadores que expõe-se unicamente na superfície 220c e que extendem-se sobre uma fração, quase metade, da distancia entre as superfícies 20c, 20d.

Os orifícios 22e alternam-se com os orifícios 22d e buscam minimizara não-uniformidade da densidade de orifícios entre as superfícies 20c e 20d. Pelamesma razão, orifícios intermediários de profundidade limitada podem também serproporcionados no exemplo da figura 11.

Embora as figuras 11 e 12 mostrem orifícios ocupando um única linhano meio da porção media do disco, poderia ser naturalmente possível,dependendo da espessura do disco, proporcionar uma pluralidade de linhas deorifícios.

De acordo com características do métodos em concordância com ainvenção, os orifícios são formados no protótipo pela remoção de material.

Com este objetivo, é possível usar um técnica de perfuração por meiode um jato de água sob pressão tal que possa ser usada para produzir orifícioscompletos ou orifícios cegos. A água usada pode opcionalmente ser carregadacom partículas sólidas. Perfuração pode ser feita usando um ou mais pulsos dejatos de água, ou jatos contínuos. Quando o diâmetro dos orifícios é grande emrelação ao diâmetro do jato, um orifício pode ser perfurado por extração, isto é, porcorte ao redor da circunferência de cada a ser produzida. Dependendo da técnicade perfuração utilizada os orifícios podem ser suavemente frustocônicos emformato, como mostrado nas figuras 4 e 6. O diâmetro dos orifícios então aumentaafastado-se da face onde o jato de água é aplicada, pelo fato do jato de água ficardisperso, ou principalmente pelo fato de que o jato de água carreegado compartículas sólidas é mais abrasivo. Com orifícios completos, cerca de 50% dosorifícios são produzidos de uma das faces e os outros orifícios das outras faces detal modo a garantir que a densidade de vazios criada pelos orifícios ésubstancialmente uniforme através da espessura do protótipo. Pela mesma razão,na figura 4, cerca do mesmo número de orifícios são formados de cada superfíciedo protótipo.

Outra possível técnica para produção de orifícios que é apropriadaquando o matiral fibroso pode ser eliminado por ação térmica é produzir uma açãotérmica localizada, em particular radiação por laser. Especialmente com fibras decarbono, tal ação térmica em um meio oxidante, por exemplo, no ar, permite que omaterial das fibras seja eliminado por oxidação. Vários tipos de fontes de laserpodem ser usadas, por exemplo do tipo de dióxido de carbono do tipo de ytriumakuminum garnet (YAG). O uso de radiação laser permite que a profundidade doorifício seja controlada quando produzidos orifícios não-completos, permite queorifícios sejam feitos por extração, e torna fácil o controle da orientação dosorifícios.

Outras técnicas podem também ser utilizadas para formar os orifíciosatravés de remoção de material. Recurso pode ser feito a técnicas mecânicas pormeio de uma ferramenta acionada a alta velocidade, tal como ums perfuradeira,uma broca, ou uma cortadora, cortando-se por meio de uma lâmina, uma punção,ou eletro-erosao. Tais técnicas mecânicas são bem conhecidas.

Produção de orifícios através da remoção de material pelaimplementação das acima mencionadas técnicas tem um efeito destrutivo nasfibras do protótipo mas não altera o arranjo das fibras nos arredores das paredesdos orifícios sendo formados. Assim, o material inicialmente situado no local dosorifícios é vantojasamente removido ou eliminado completamente, tal que osorifícios resultantes são definidos por zonas limítrofes de eliminação ou ruptura defibras, e a densidade das fibras no protótipo por unidade de volume na vizinhançadas paredes dos orifícios não é incrementada, diferente do que poderia acontecerse os orifícios fosse produzidos pela inserção de agulhas para extrair fibras dedentro de zonas constituindo as paredes dos orifícios.

Durante o processo de densificação do tipo CVI subsequente, acessoda reação por gás ao material do protótipo fibroso não é mais restrito quandopassando através das paredes dos orifícios do que quando passando através dassuperfícies externas do protótipo, diferente do que poderia acontecer se as fibrastivessem sido extraídas de dentro da parede do orifício durante confeção doorifício, uma vez que poderia levar a aumento local da densidade por unidade devolume de fibras nas superfície dos orifícios e obstrução prematura das paredesdos orifícios durante densificação. Tal obstrução prematura das paredes dosorifícios, o qual pode impedi-los de sua efetividade, é assim evitado durante odesenvolvimento do processo de densificação.

No protótipo, e também na peça de material composto obtida apósdensificação por processo do tipo CVI, a densidade de fibras por unidade devolume na vizinhança das paredes dos orifícios não é significativamente maior quea densidade por unidade de volume de fibras em outras parte do protótipo oucomponente. Assim, não-uniformidade é evitada nas propriedades do materialcomposto.

O diâmetro médio dos orifícios é selecionado como sendosuficientemente grande para impedi-los de serem obstruídos antes do término doprocesso de densificação do tipo CVI uma vez que isso pode impedi-los de praticarsua função, enquanto todavia permanecendo limitados tal que evitem afetar ocomportamenteo da peça de material composto obtida após a densificação, comeste sendo aplicado particularmente, uma vez que acima de um certo valor para odiâmetro do orifício, acesso ao gás não é realmente melhorado, mesmo no final doprocesso do tipo CVI.

Este diâmetro médio pode assim variar como função da espessura damatriz a ser depositada nas fibras, função das dimensões dos componentes aserem feitos, e função da utilização dos componentes.Normalmente, em particular para protótipos de discos de freio deaeronaves, o diâmetro médio dos orifícios pode ser selecionado como tendo umvalor caindo na faixa de cerca de 0,05 mm até 2 mm.

A densidade dos orifícios é selecionado para ser suficiente, emassociação com o diâmetro, para fornecer um caminho reduzido a ser seguidopela reação por gás a alcançar qualquer porção do protótipo durante densificaçãodo tipo CVI, enquanto todavia permanecendo limitado tal que evite afetar ocomportamento da peça de material composto obtida após densificação. Essadensidade pode ser adaptada as dimensões dos componentes a seremproduzidos e a sua utilização.

Normalmente, e em particular para protótipos de discos de freios deaeronaves, a densidade de orifício pode ser selecionada como sendo igual aovalor caindo na faixa de cerca de 0,06 orifícios/cm2 a 4 orifícios/cm2. Nas figuras 2a 6, esta densidade é medida no semiplano do protótipo de tal forma a cobrirformatos nos quais orifícios cegos são formados. Pode também ser medido emuma das faces quando os orifícios sao orifícios completos como nas figuras 3 e 5.Nas figuras 11 e 12, a densidade não é constante, e deve ser tido em conta dadensidade media.

Em outras palavras, é preferível para a distancia ou deslocamentoentre os eixos de orifícios adjacentes ser selecionado como tendo um valor que caina faixa de 0,5 cm a 4 cm. No formato das figuras 11 e 12, este é o deslocamentomédio.

Em um dado protótipo, os orifícios pode ser do mesmo diâmetro oude diferentes diâmetros.

Da mesma forma, densidade de orifícios sem um protótipo específicopode ser constante ou pode variar.

Uma vez os orifícios tenham sido produzidos, o protótipo édensificado por um processo do tipo CVI (etapa 14). Processos para densificaçãodo tipo CVI com matrizes de carbono ou cerâmica são bem conhecidos. Umprecursor é usado o qual é adaptado à natureza da matriz que será depositada.Dependendo das circunstâncias, e em particular como uma função daespessura do protótipo que será densificado e a densidade que será obtida, podeser opcionalmente desejável aplicar escalpo no mínimo às faces expostas doprotótipo. Se dito escalpe é aplicado, a etapa 14 compreende um primeiro ciclo dedensificação 11 seguido por tratamento mecânico da superfície do protótipo, eentão por um segundo ciclo de densificação 12.

Figura 13 mostra um disco de freio 26 obtido após densificação dotipo CVI de um protótipo do tipo mostrado na figura 2 e após ter sido trabalhadomecanicamente a suas dimensões finais, com notches 26c e tenons 26d sendoformados tais que capacitem o disco a ser preso mecanicamente. Neste exemplo,o disco é um disco estátoco para um freio de aeronave tendo duas faces de fricçãoopostas 26a e 26b. Deve ser observado que os orifícios 28 correspondentes aosorifícios formados no protótipo são visíveis. Todavia, devido ao seu pequenodiâmetro, esses orifícios não apresentam qualquer papel funcional, tal comofunção de resfriamento, enquanto o disco de freio esta subseqüentemente em uso.

No exemplo mostrado na figura 2 e 7, orifícios são formados atravésde todo o volume. Numa variante, produção de orifícios pode ser restrita a certaszonas do protótipo ou pode haver uma maior densidade de orifícios em certaszonas, por exemplo com um disco de freio, as zonas correspondendo às faces defricção, e possivelmente às zonas correspondendo aos tenons fornecendoconexão mecânica com o disco.

Assim, a figura 14 é um diagrama de um disco de freio de aeronave26' antes do tratamento mecânico, como obtido após densificação de um protótipoanular no qual orifícios tenham sido produzidos numa densidade variável, osorifícios sendo orifícios completos paralelos ao eixo do disco e expostos nasprincipais faces do protótipo. Como mostrado pela disposição dos orifícios 28' quepermacem após densificação, a densidade dos orifícios formados no protótipo estánum máximo na vizinhança da faixa emborrachada do disco, na porção central,com tal densidade diminuindo entre a dita porção central e nas porções adjacentesàs supercicies do disco interna e externma.lsto favorece densificação uniforme naporção do disco que é usada durante freiagem. Em algumas circunstâncias, épóssivel vislumbrar a formação de orifícios que buscam fortalecer a densificaçãotambém em outras porções da densificação, isto é, porções outras que aquelascorrespondentes ao feixe emborrachado do disco, por exemplo, em porções doprotótipo que correspondem a porções em relevo ou tenons que são formados nascircunferências interna e externa que fornecem uma conexão mecânica entre odisco e o membro estacionario ou rotatório.

Embora a descrição acima relacione-se a protótipos anulares fibrosospara discos de freio, é claro que a invenção é aplicável para todos os tipos deprotótipo para uso na produção de peças de material composto, e em particularcomponentes espessos para o qual o problema de densificação uniforme apareça.

Ademais, a invenção é aplicavel indepentendemente da natureza dasfibras dos protótipos e da matriz que é depositada.de modo a densifica-los porprocessos do tipo CVI.

Deve também ser observado que a operação de densificação deprotótipo fibroso perfurado da invenção pode incluir uma primeira etapa dedensifição parcial usando uma técnica liquida prévia à segunda etapa dadensificação do tipo CVI. Densificação por uma técnica liquida, como já é bemconhecida, consiste em aplicar pelo menos um ciclo de impregnação do protótipocom uma composição liquida contendo um precursor liquido para o material damatriz. O precursor tipicamente é uma resina, por exemplo, uma resina orgânicaque é precursora de carbono. Após secagem, para elminar qualquer solvente, eapós a resina ter sido polimerizada, tratamento térmico é aplicado para transformaro precursor.

Exemplo 1

Protótipo anular fibroso feito de fibras de carbono para discos de freiode material composto C/C de aeronave foram produzidos como segue.

Teias multidirecionais foram obtidas pela sobreposição de tres teiasunidirecionais de fibras PAN pre-oxidadas, extendendo-se por ângulos de +-60°relativos uma a outra e unidas juntas por costura. As teias multidirecionais foramsobrepostas e costuradas juntas progressivamente como se fossem superpostasde modo tal a obter uma placa costurada de onde um protótipo anular de PANpreoxídado foi extraído.

Os protótipos PAN preoxidados foram sujeitos a tratamento térmicopor cerca de 1600° C para transformar as fibras PAN em carbono. Este processoproduziu protótipo anular fibroso de carbono com diâmetros interno e externo de26cm e 48cm, uma espessura de 3.5 cm, e com um percentual de volume fibrosode cerca de 23%, o volume percentual fibroso sendo o percentual do volumeaparente do protótipo que é ocupado pelas fibras.

Alguns do protótipos foram perfurados com orifícios completosparalelos ao eixo, formados estes por jatos de água sob pressão, numa densidadesubstanciamente constante de cerca de 1 orifício/cm2. Protótipos foram assimobtidos com orifícios apresentando diâmetros respectivos de cerca de 0,2 mm paraprotótipos A1, A2, e cerca de 0,5 mm para protótipos B1, B2, e cerca de 1 mmpara protótipos C1, C2.

A modo de comparação, orifícios foram feitos em outro protótipo Datravés de inserção de agulhas de diâmetro igual a 2 mm, numa densidade decerca de 1 orifício/cm2, as agulhas subseqüentemente sendo prepradas paradensificação do tipo CVI.

Uma carga de protótipos foi preaprado na forma de uma pilha anularfeita essencialmente de protótipos não-perfurados E, com protótipo A1, A2, B1,B2, C1 e C2 sendo inseridos numa pilha entre pares de protótipos não-perfuradosE1 e E2.

Figura 15 mostra tal carga na forma de uma pilha 30 inserida nacâmara de reação 32 de um forno de densificação do tipo CVI para execução dedensificação CVI de tipo "fluxo direto" como descrito no documento de patenteUS5904957. Brevemente, o forno é aquecido por acoplamento indutivo entre umaserpentina 34 e um susceptor de grafite 36 definindo a câmara de reação, cominsulação sendo interposta entre a serpentina e o susceptor. Uma reação por gásé admitida através da base do susceptor 36, passa através de uma zona de pré-aquecimento 37, e é direcionada dento do volume interno 31 da pilha que éfechada na sua terminação superior. O gás flui através do volume interno dacamara 32 fora da pilha 30, passando através de espaços criados por meio deespaçadores (não mostrados) entre os protótipos, e difundindo-se através dosespaços. O gás efluente é extraído através da cobertura do susceptor por meio deuma unidade de bomba que estabelece o nível de pressão desejada dentro dacâmara.

Densificação CVI de substratos com uma matriz de carbono pirolíticafoi efetuada usando uma reação por gás baseada em gás natural, numa pressãode cerca de 5 kilopascals (kPa) e numa temperatura de cerca de 1000° C.

Densificação foi feita em dois ciclos 11, 12 separados por umaoperação de escalpo pelo qual a carga foi removida do forno. O ciclo 11 foi feitosob condições pré-determinadas permitindo a densidade relativa dos protótipos Ea serem aumentados a um valor de cerca de 1.6. Após escalpo por tratamentomecânico das faces principais do protótipo parcialmente densificado de modo aleva-los a uma espessura próxima àquela dos discos a serem feitos, o ciclo 12 foifeito sob condições pré-determinadas para alcançar densidade relativa de cerca de1.8. Para o ciclo 12, o forno foi carregado pelo depósito dos protótipos parcialmentedensificados E1, A1, A2, B1, B2, C1, C2 e E2 nesta ordem de volta ao forno.

O mesmo procedimento foi usado para densificação de uma pilha decarga feita de substrato do tipo E em dois ciclos 11 e 12, com exceção do substratoD o qual foi inserido na pilha adjacente ao substrato E3.

A tabela I abaixo mostra os valores de densidade medidos para osdiscos A1, A2, B1, B2, C1, C2, E1 e E2 após os ciclos 11 e 12, e para os discos E3e D após o ciclo 12. Pode ser visto que as densidades finais obtidas para os discosA1, A2, B1, B2, C1 e C2 foram significativaamente maiores que aquelas para osdiscos D, E1, e E2 e que a densidade dos discos D está longe de ser aumentadaao mesmo grau ao fim do ciclo 12 comparado com a densidade do disco E3.Tabela 1

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De modo a verificar se houve ou não houve um gradiente dedensificação, blocos de formato substancialmente retangular foram extraídos dosdiscos A1, E1, D, e E2 como obtidos após o ciclo 12, ao longo do raio dessesdiscos. Para cada bloco, densidade foi medida em varias zonas Z1 ate Z5 entre odiâmetro interno e o diâmetro externo nos arredores de uma face, nos arredoresda outra face, e na porção radial média.

Tabela Il abaixo mostra os valores de densidade medidos. Pode servisto que um notável resultado foi obtido com o disco A1 feito de acordo com ainvenção uma vez que sua densidade é praticamente uniforme (variação de menosde 1,7%).

Com os discos E1 e E3 obtidos de um protótipo sem orifícios,variação considerável em densidade foi observada, revelando a existência de umgradiente de densificação basicamente oblíquo a despeito da operação de escalpeintermediário (variações de 8,1% a 7,7%, respectivamente).

Uma variação em densidade de 6% foi medida para o disco D, cujavariação é menor do que aquela observada com os discos E1 e E3, mas todaviaainda muito substancial.Tabela II

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Assim, o método da invenção é notável no sentido de proporcionarque o grau de densificação seja aumentado (e assim para uma dada densidadedesejada, permite que o tempo de densificação seja diminuído), enquantopraticamente elimina o gradiente de densificação, resultado estes que o método doestado da técnica (formação de orifícios pela inserção de agulhas) não obtém.

Exemplo 2

O procedimento é substancialmente o mesmo que o do exemplo 1,mas sem o escalpe intermediário, prepraração de uma carga na forma de umapilha de protótipo anular fibroso de carbono para discos estáticos e discosrotatórios com diferentes espessuras de protótipos caindo na faixa de 24 mm a 36mm, e com protótipos que tenham sido produzidos por um jato de água sobpressão (orifícios de 0,5 mm de diâmetro numa densidade substancialmenteconstante de 1 orifício/cm2), e com protótipos que não foram perfurados.

Um ciclo de densificação CVI foi feito para proporcionar um matriz decarbono pirolítica, e foi interrompido a três quartos de sua duração total de modo amedir a densidade relativa do protótipo parcialmente densificado. A tabela Illabaixo mostra os valores de densidade relativa média final e intermediáriamedidos após três quartos da duração do ciclo e no final do ciclo.

Tabsla 111

<table>table see original document page 22</column></row><table>

A densidade alvo desejada (1,78) não foi alcançada na etapaintermediária, mas uma densidade maior foi observada nos protótipos fornecidoscom orifícios. No fim do ciclo, o objetivo foi alcançado para todos os protótiposapresentando orifícios (valores em negrito) e não foi alcancado para qualquer umdos protótipos não-perfurados.

Este exemplo mostra que discos de freio de material composto C/Capresetando a densidade desejada podem ser obtidos em um único ciclo, semescalpe intermediário, pela formação de orifícios no protótipo de acordo com ainvenção.

Exemplo 3

O procedimento foi substancialmente o mesmo que o do exemplo 1,mas sem escalpe intermediário (um único ciclo de densificação de duraçãopraticamente idêntica ao ciclo do exemplo 2), pela formação de uma carga comouma pilha de protótipos anulares fibrosos de carbono para discos de freio,compreedendo protótipos não-perfurados, protótipos perfurados com diferentesdensidade de orifícios. Os orifícios eram orifícios completos paralelos ao eixo ecom um diâmetro de 0,5 mm, e foram produzidos por um jato de água sob pressãousando uma matriz padrão quadrada como mostrado na figura 7.

O ciclo foi interrompido ao final de dois terços de sua duração total demodo a medir a densidade média então alcançada. Tabela IV mostra os valores dedensidade média relativa medidas no ciclo intermediário e ao final do cicloapresentando diferentes densidades de orifícios. O aumento da taxa de densidadeentre a pausa intermediária e o fim do ciclo é também apresentado (em pontos dedensidade por hora), mostrando taxa de deposição sobre as horas finais.

Tabela IV

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Pode ser observado que o aumento da densidade de orifícios leva amanifestação de deposição a taxas maiores na porção final do ciclo dedensificação.

Exemplo 4

O procedimento foi substancialmente como o do exemplo 1, mas semo escalpe intermediário, formação de uma carga como uma pilha de protótiposanulares fibrosos de carbono para discos de freio, comprendendo protótipos não-perfurados e um protótipo perfurado com orifícios na disposição mostrada nafigura 14. O protótipo perfurado foi um protótipo de disco rotatório tendo diâmetrosexterno e interno de 46,8 cm e 26,7 cm respectivamente, uma espessura de 3,5cm, e 576 orifícios completos com um diâmetro de 0,5 mm. Os orifícios foramproduzidos usando um jato de água sob pressão paralelo ao eixo do protótipo.

Curva A na figura 16 mostra como a densidade medida variou comofunção do raio do disco no fim do ciclo de densificação com duração padrão damesma ordem de magnitude que nos exemplos 2 e 3. A modo de comparação,curva B mostra a variação da densidade medida no disco obitda de um protótipotendo as mesmas dimensões mas nenhuma perfuração.

Pode ser visto que a maior densidade de orifícios na porção centraldo protótipo permite uma maior densidade no disco a ser obitda nessa região,enquanto o disco obtido de um protótipo não-perfurado apresenta um fortegradiente de densidade com um valor mínimo na porção central do protótipo.

Claims (26)

1. - Método de produção de peças de material compostoCARACTERIZADO pelo fato de que compreende a preparação de substratofibroso, formação de orifícios extendendo-se pelo substrato por pelo menos umasuperfície, e densificação do substrato com uma matriz formada no mínimo emparte por um processo do tipo infiltração por vapor químico, método no qual osorifícios formados no substrato por remoção de material fibroso seja por ruptura defibras, o arranjo das fibras no prototipo formado com orifícios sejasubstancialmente não modificado comparado com seu arranjo inicial prévio ao dosorifícios tenham sido formados.

2. - Método de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que os orifícios são formados por tratamento mecânico com um jato deágua sob pressão.

3. - Método de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que os orifícios são firmados por ação térmica localizada no matertialfibroso do prototipo.

4. - Método de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelofato de que os orifícios são formados sob efeito de radiação laser.

5. - Método de acordo com a reivindicação 3, CARACTERIZADO pelofato de que os orifícios são formados por eliminação de material fibroso poroxidação.

6. - Método de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que os orifícios são formados por tratamento mecânico usando umaferramenta de alta velocidade.

7. - Método de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que os orifícios são formados através de extração.

8. - Método de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelofato de que os orifícios são formados por eletro-erosão.

9. - Método de acordo com as reivindicações 1 a 8,CARACTERIZADO pelo fato de que o substrato é um prototipo anular e os orifíciossão produzidos e expostos em no mínimo um das principais faces do protótipo.

10. - Método de acordo com as reivindicações 1 a 8,CARACTERIZADO pelo fato de que o substrato é um protótipo anular e os orifíciossão produzidos de modo a ficarem expostos no minimo na superfície periféricaexterna do protótipo.

11. - Método de acordo com as reivindicações 1 a 10,CARACTERIZADO pelo fato de que os orifícios são de diâmetro médio caindo nafaixa de 0,05 mm a 2 mm.

12. - Método de acordo com as reivindicações 1 a 11,CARACTERIZADO pelo fato de que a densidade de orifícios no substrato cai nafaixa de 0,06 orifícios/cm2 a 4 orifícios/cm2.

13. - Método de acordo com as reivindicações 1 a 12,CARACTERIZADO pelo fato de que a densidade dos orifícios no substrato varia.

14. - Método de acordo com a reivindicação 13, CARACTERIZADOpelo fato de que o substrato forma um protótipo anular para disco de freio eorifícios são produzidos de modo que fiquem expostos em no minimo uma dasprincipais faces do protótipo, a densidade dos orifícios variando e diminuindo entrea porção central do susbtrato correspondente a uma faixa de fricção do disco eporções do substrato que são adjacentes as superfícies circunferencais internas eexternas.

15. - Método de acordo com as reivindicações 1 a 14,CARACTERIZADO pelo fato de que a distância entre os eixos de orifíciosadjacentes cai na faixa de 0,5 cm e 4 cm.

16. - Substrato fibroso (20) para produção de peça de materialcomposto, o substrato CARACTERIZADO pelo fato de que inclui orifícios queextendem-se de dentro do substrato para no minimo a superfícies afora, em cujosubstrato a densidade por unidade de volume de fibras na vizinhança das paredesdos orifícios no substrato não é significativamente maior que a densidade porunidade de volume das fibras em outras porções do substrato.

17. - Substrato de acordo com a reivindicação 16, CARACTERIZADOpelo fato de que os orifícios são definidos por zonas limites de eliminação de fibrasou ruptura.

18. - Substrato de acordo com a reivindicação 16 ou 17,CARACTERIZADO pelo fato de que orifícios tem um diâmetro médio caindo nafaixa de 0,05 mm a 2 mm.

19. - Substrato de acordo com as reivindicações 16 a 18,CARACTERIZADO pelo fato de que a densidade de orifícios no substrato cai nafaixa de 0,06 orifícios/cm2 a 4 orifícios/cm2.

20. - Substrato de acordo com as reivindicações 16 a 19,CARACTERIZADO pelo fato de que a densidade de orifícios no substrato varia.

21. - Substrato de acordo com a reivindicação 20, CARACTERIZADOpelo fato de que forma um protótipo anular para um disco de freio, no qual osorifícios expõe-se no mínimo em uma das faces principais do substrato.

22. - Substrato de acordo com a reivindicação 21, CARACTERIZADOpelo fato de que a densidade de orifícios varia, decrescendo entre a porção centraldo substrato correspondendo a faixa de fricção do disco, e porções do substratoadjacente às superfícies circunferenciais interna e externa afora.

23. - Substrato de acordo com as reivindicações 16 a 20,CARACTERIZADO pelo fato de que formando um prototipo anular, no qualorifícios expõe-se no mínimo na superfície periférica externa do substrato.

24. - Peça de material composto (26) CARACTERIZADA pelo fato deque compreende reforço fibroso densificado por uma matriz obtida no mínimo emparte por um processo do tipo infiltração por vapor químico e que apresentaorifícios (28) extendendo-se de dentro de parte de no nimimo uma superfície afora,o reforço fibroso formado por um susbtrato de acordo com qualquer uma dasreivindicações 16 a 23.

25.

- Peça de material composto (26) CARACTERIZADA pelo fato deque compreende reforçamento densificado por uma matriz obtida no minimo emparte por um processo do tipo infiltração por vapor químico e que apresentaorifícios (28) extendendo-se de dentro de parte de no nminimo uma supericieafora, em cuja parte a densidade por unidade de volume de fibras reforçada navizinhança das paredes dos orifícios não é signifcativamente maior que adensidade por unidade de volume de fibras e outras porções do compõente.