CN101189447B - 利用化学气相渗透致密化制造合成材料件的方法和衬底以及获得的合成材料件 - Google Patents

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Abstract

一种按照以下方法制造的合成材料件：形成纤维预成品(20)，形成从预成品的至少一个表面延伸到预成品内部的孔(22)以及由至少部分通过化学气相渗透(CVI)型工艺得到的基体来致密化该预成品。通过从预成品中移除纤维材料并破坏纤维来形成孔(22)，例如通过加压喷射水流加工，纤维在带有孔的预成品中的排列方式与孔形成之前的初始排列方式相比基本没有变化。这可以显著降低致密化梯度，而且可以在单个致密化周期内获得在现有技术中需要多个周期(被中间除去表层的过程隔开)才能得到的密度。

Description

利用化学气相渗透致密化制造合成材料件的方法和衬底以及获得的合成材料件
背景技术
本发明涉及，通过形成纤维衬底并通过基体(matrix)致密化该衬底来制造合成材料件，该基体本身由化学气相渗透(CVI)型方法形成。本发明的一个特定但不唯一的应用领域是用碳/碳(C/C)合成材料制造刹车盘，特别是包含一套共轴的交替的固定盘和旋转盘的飞机刹车。然而，本发明还可以用于用碳/碳合成材料或者其它合成材料(特别是陶瓷基体复合(CMC)材料制造其它零件。
利用CVI型方法致密化多孔衬底(例如纤维衬底或者预成品(preforms))已经广为人知。
在传统CVI工艺中，将用于致密化处理的衬底放置于炉中。将反应气体引入炉中，在设定的温度和压力条件下通过分解反应气体的一种或多种成分，或者通过多种成分之间的反应将构成基体的材料沉积在衬底的孔中。
另外一种已知方法是将用于致密化处理的衬底放置于反应器中，同构成基体材料的前驱物(precursor)一起加热。前驱物在反应器中呈液态，通入电流或者利用线圈进行电磁耦合将衬底加热，衬底由导电纤维(比如碳纤维)制成。这种工艺在美国专利4 472 454、5 397 595或5 389 152有着详细描述，有时也被称作加热致密化(densification bycalefaction)。因为前驱物在热衬底上(并且与衬底接触)蒸发，所以在这里将这种工艺视为CVI型的致密化工艺。换言之，在本说明书以及权利要求中的术语“CVI型工艺”或者“化学气相渗透型工艺”涵盖传统化学气相渗透工艺以及加热致密化工艺。
这种CVI型工艺的主要困难在于最小化衬底中致密化梯度(densification gradient)以使所得零件在整个体积内具有尽可能均匀的性质。
因为衬底的表面部分首先与反应气体接触，所以基体优先沉积在衬底的表面部分。因此，计划扩散到衬底核心的气体就会耗尽，衬底表面部分的孔也会过早封闭，这样就逐渐减弱了气体扩散到核心的能力。这会导致在衬底的表面部分和核心之间出现致密化梯度。
这就是为什么在实践中(特别是制造较厚的零件时)当达到一定程度的致密化时需要中断该工艺并且除去部分致密化(partially-densified)的衬底的原因，这是为了在一个称作“除去表层”(scalping)的操作中加工上述衬底的表面，以重新打开表面的孔。然后继续进行致密化处理，这样反应气体就更容易扩散到衬底的核心。例如，制造刹车盘时，通常进行至少两个CVI致密化周期(周期I1和I2)以及一次中间的除去表层操作。然而在实践中，最终得到的零件还是会出现致密梯度。
为了避免产生致密梯度，进而可能避免除去表层的操作，已知的方法是执行包含温度梯度的CVI致密方法，即以非均匀的方式加热衬底。文献US 5 846 611以及EP 0 946 461描述了通过感应线圈与一个或多个环形衬底之间直接耦合的非均匀加热进行致密化。在一些不太容易接触到气体的衬底区域内，通过相比于衬底其它区域升高这些区域的温度来促进基体的沉积。然而，这种技术局限于某些特定形状和种类的衬底以及衬底在炉中的放置方式。
美国专利5 405 560提出了一种促进反应气体进入由环形纤维预成品构成的衬底内部的方法，该预成品用于由碳/碳复合材料制成的刹车盘，该方法在预成品相对的两个表面之间提供穿过预成品的孔作为通道。通过插入针推开预成品中的纤维来形成孔，并且不会破坏预成品。在CVI致密化过程中，气孔为反应气体到达预成品的中心部分提供了更短的路径。然而，如下所述，申请人进行的测试显示该技术在最小化致密化梯度方面具有局限性。比较文献(parallel document)FR 2 616779确实提到了利用压力下的液体形成孔的可能性，这种方法可能部分破坏(destroy)纤维，但是该方法推荐避免损伤(damaging)纤维。
文献FR 2 144 329也描述了在由碳/碳复合材料制成的刹车盘中形成孔的方法。然而，该文献是通过液体技术致密化刹车盘纤维预成品，即将碳-前驱物树脂注入预成品中，树脂在预成品中交叉结合(cross-linked)(硬化)然后碳化或石墨化从而形成碳基体。孔形成于树脂硬化之后、碳化或石墨化之前，孔的作用是在碳化或石墨化过程中排出挥发性物质，从而避免气体残留在碳基体内。这是与CVI致密化技术完全不同的工艺。
发明内容
本发明的目的之一是在CVI型致密化工艺中促进反应气体的扩散，首先为了在合成材料件的制造过程中获得几乎均匀致密化的纤维衬底，其次为了减少致密化周期的次数(这些周期被中间的除去表层的阶段隔开)，或者甚至可以在单个周期内实现致密化，因为不再需要通过中间的除去表层的阶段重新打开孔。
通过一种制造合成材料件的方法可实现这一目的，该方法包括：准备纤维衬底，从衬底的至少一个表面开始形成在衬底延伸的孔，以及通过基体致密化该衬底，该基体至少部分通过化学气相渗透型工艺形成，在该方法中，通过从衬底中移除纤维材料(纤维被破坏)在衬底中形成孔，纤维在带有孔的预成品中的排列方式与孔形成之前的初始排列方式相比基本没有变化。
如下所述，通过移除材料(纤维被破坏)在衬底中形成孔，可以令人惊讶地获得几乎均匀致密化的衬底，然而该结果与现有技术中通过插针形成孔(对纤维没有破坏作用)时得到的结果明显不同。还可以在单个周期中得到一定程度的致密化，而在现有技术中，这需要多个周期(由中间的除去表层过程隔开)才能实现。
上述孔可以通过利用压力下的高速水流加工形成。
在本方法的另一实现方式中，可以通过对纤维材料具有破坏作用的局部热作用(也可以同时暴露在氧化介质中)形成孔。这可以特别应用于碳纤维。局部热作用可以通过激光辐射产生。
在本方法的其它实施方式中，也可以使用高速工具(例如钻头、钻孔机和切割机)加工孔，或者用刀、冲压机或模具切割、或者通过电腐蚀来形成孔。
孔可以贯穿两个表面之间的衬底，也可以是在衬底一个表面开口的盲孔。
此外，孔可以垂直于其开口所处衬底的表面，也可以在不垂直于表面方向上延伸。
当衬底形成用于刹车盘的环状预成品时，得到的孔可以是在至少一个垂直于预成品轴线的主表面上形成开口的孔，也可以是在外圆周面并且可能在内圆周面上形成开口的孔(这样孔就位于或基本位于径向上)，或者是以上两种孔的组合。
选择合适的孔的平均直径以避免孔在CVI致密化过程结束之前由于基体材料沉积而关闭。比如，孔的平均直径可选择在大约0.05毫米到2毫米的范围内。小直径的孔在致密化之后的使用中就不会有任何功能，比如不能为刹车盘提供任何冷却功能。
为了能够几乎均匀地致密化衬底，孔的密度应该足够大从而为反应气体提供到衬底任何部分都比较短的路径。例如，孔的密度可选择在大约每平方厘米0.06个孔(孔/平方厘米)到4孔/平方厘米的范围内，该密度是在衬底的中间平面(midplane)或者中间表面(mid-surface)按照每单位面积内的孔数测量的。换言之，相邻孔的轴线之间的距离或者间隔优选处于大约0.5厘米到4厘米的范围内。
在纤维衬底中孔的密度可以为恒定，从而以相同的方式为反应气体提供到衬底(用于致密化)所有部分的较短的路径。在本发明的一个变化中，孔的密度也可以变化，在这种情况下，在没有孔的情况下气体路径更长以及传输到衬底核心的基体材料更少的衬底区域，可以设置更高的孔密度；在即使没有孔的情况下传输的基体材料仍然足够多的衬底区域，孔密度可以更小甚至为零。这样，对于用于刹车盘(尤其是飞机刹车盘)的具有环形预成品形式的衬底来说，当孔在至少一个衬底的主面形成开口时，孔的密度可以变化，并且可以在衬底的中心部分(对应于刹车盘的摩擦轨道(rubbing track))和与衬底内、外圆周面相邻的衬底部分之间减少。也可以仅仅在衬底的中心部分(对应于将来制造的刹车盘的摩擦轨道)形成孔。
本发明还提供一种用于制造合成材料件的纤维衬底，该衬底具有从衬底的至少一个表面延伸到衬底内的孔，其中在孔壁附近的纤维的每单位体积密度与在衬底其它部分的纤维的每单位体积密度相比没有显著增加。
根据衬底的特性，孔被限定在纤维被除去或者破坏的区域。
本发明还提供了一种合成材料件，包含由至少部分地通过化学气相渗透型工艺得到的基体而致密化的纤维加强件(fiber reinforcement)，和从它的至少一个表面延伸到它内部的显孔，在该合成材料件中，纤维加强件是由以上定义的衬底制成，或者在孔壁附近的加强纤维的每单位体积密度与在该材料件其它部分的纤维的每单位体积密度相比没有显著增加。
附图说明
阅读以下非限制性的说明并参考附图可以更好地理解本发明，其中：
图1表示在本发明所述方法的一种实施方式中制造合成材料件的连续步骤。
图2是一个用于制造刹车盘的环形纤维预成品的透视示意图，其中已经形成了孔。
图3是在图2的平面III上的更大比例的局部剖面图。
图4到6是显示了不同孔的形状的剖面图，这些孔在用于刹车盘的环形纤维预成品的至少一个主面形成开口。
图7到10显示了孔在纤维衬底表面不同的排列方式。
图11和12显示了不同形式的孔，这些孔至少在用于刹车盘的环形纤维预成品的外圆周面形成开口。
图13是通过致密化处理、CVI、以及最后的加工得到的刹车盘的示意图，其中使用了图2所示的那种预成品。
图14是用于制造飞机刹车旋转盘的纤维预成品的俯视图，其中孔的密度是变化的。
图15是一幅高度简化的示意图，显示了将用于制造刹车盘的环形纤维预成品以堆叠的方式放置在CVI致密化炉中。
图16显示了刹车盘(通过致密化图14中的预成品得到)的密度在内、外圆周面之间变化的曲线，并与致密化类似的但是内部没有形成孔的预成品得到的刹车盘的密度变化进行了比较。
具体实施方式
图1所示方法的第一步骤10是制造形状接近于所要得到的合成材料件的三维(3D)纤维衬底或者纤维预成品。制造这样的纤维预成品的技术已经广为人知。
此外，也可以从一维(1D)纤维元件开始，一维纤维元件比如线(yams)或绳(tows)，其可绕在模型(former)或者心轴上(mandrel)上，或者通过三维纺织、针织或编织(weaving、knitting、或者braiding)直接形成三维衬底。
还可以从二维(2D)纤维结构开始，比如织物(woven fabrics)、编织物(knits)、扁平编织物(flat braids)、薄毡、由相互平行的线或绳组成的单向网(unidirectional(UD)webs)、或者由单向网在不同方向上重叠并连接在一起(比如通过轻型缝纫(1ight needling)或者缝合(stitching))所形成的多向网(multidirectional webs)。将由这样的二维结构组成的网层(plies)绕在模型或心轴上、或者织(drap)在模型或支撑物上使其重叠，并且连接在一起(比如通过缝纫、缝合、或者插入绳穿过这些网层)从而得到三维衬底。
也可以通过缝纫随机取向的不连续的纤维制成厚毡的形式获得三维衬底。
以这种方式得到的三维衬底可直接用作制造零件的纤维预成品。为了得到需要的形状，也可以切割三维衬底得到所需的纤维预成品。
构成预成品的纤维通常根据合成材料件的应用功能进行选择。对于热结构合成材料，即材料具有良好的机械特性并且能够在高温下保持这些特性，材料的纤维加强件中的纤维典型地由碳或陶瓷制成。预成品可以由这些纤维制成，或者由作为碳或陶瓷的前驱物的纤维制成，这些纤维更适于进行各种纺织操作以制造三维纤维衬底。在这种情况下，制成衬底或预成品之后，前驱物通常在热处理下被转化成碳或陶瓷。
本方法的第二步骤12是在预成品中形成孔，从而在随后的CVI型致密化过程中改善反应气体到预成品中心的路径。当预成品是由转化前驱物材料所得到的材料的纤维制成时，可以在转化前驱物之前或之后在预成品中形成孔。如果是在转化之前形成，就应该注意在前驱物的转化过程中可能出现的任何收缩从而保证孔具有要求的尺寸。
图2和3显示了由碳纤维材料制成的环形纤维预成品20，该预成品用于制造碳/碳(C/C)材料的刹车盘。这种预成品可以通过切割平板形状的三维纤维衬底得到，该纤维衬底例如可以通过重叠并且缝纫布料层、预氧化腈纶(PAN)(碳的前驱物)材料的单向或多向网得到。预成品也可以通过重叠并且缝纫从单向或多向的预氧化腈纶纤维布料或网切割下来的环形层得到。使用预氧化腈纶纤维制成预成品之后，通过热处理将预氧化腈纶纤维转化成碳。以上可参考美国专利4 790052以及5 792 715。
在预成品20中，形成的孔22平行于轴线21并且穿过两个主面20a和20b之间的整个厚度，孔22在两个主面形成开口，两个主面与轴线21垂直。
在图4所示的一个变化中，在预成品中形成盲孔22a和22b，孔22a只在面20a形成开口，而孔22b只在面20b形成开口。可以观察到孔22a和22b穿过了预成品整个厚度的非常大的一部分。
在另一个变化中，孔可以形成在斜向上，即它们的轴线可以与面20a和20b的法线、或者预成品20的轴线成非零度角，这种情况适用于通孔22′(图5)或盲孔22′a和22′b(图6)。
在图2中，沿同心环等间隔设置孔22。它们也可以沿螺旋线设置。此外，无论纤维预成品20为环形还是其它形状，孔22都可以按照其它图案设置，比如设置在四边形的顶点(图7)、四边形的顶点以及中心(图8)、六边形的顶点(图9)、或者等边三角形的顶点(图10)。
对于给定的孔密度，等边三角形放置是最佳的，它可以使气体从孔到预成品内所有点的路径最短。
图11和12显示了另一个实施例，其中孔没有在预成品20的主面20a和20b中的一个和/或另一个面形成开口，而是在外圆周面20c，可选地，也可以在内圆周面20d形成开口，孔沿径向或近似径向延伸。
在图11中，孔22c形成在盘的中间部分。孔在外表面20c形成开口并沿径向延伸穿过表面20c和内圆周面20d之间的大部分距离，但是没有在内圆周面20d形成开口。
在图12中，孔22d和22e形成在盘的中间部分，孔22d是通孔，在表面20c和20d之间沿径向延伸，而孔22e不是通孔，它们仅仅在表面20c形成开口并穿过表面20c和20d之间的一段(大约一半)距离。
孔22e与孔22d交替形成以将表面20c和20d之间孔密度的不均匀性减到最小。基于同样的原因，有限深度的中间孔(intermediate holes)也可以出现在图11所示的例子中。
尽管在图11和12中盘的中间部分只有一排孔，然而很自然地也可以根据盘的厚度提供多排孔。
根据本发明所述方法的特征之一，预成品中的孔是通过移除材料形成的。
为此，可以使用压力下的喷射水流进行钻孔的技术，以形成通孔或者盲孔。可选地，所用水流可以夹杂固体微粒。可以使用脉冲式或连续的一个或多个喷射水流进行钻孔。当孔的直径比喷嘴的直径更大的时候，可以采取切割的方式钻孔，即沿着每一个要打的孔的圆周切割。根据所用的钻孔技术，孔的形状可能会稍微呈截头圆锥体状(frustoconical)，如图4和6所示。孔的直径从喷射水流加工的表面开始增加，这是因为喷射水流变得发散，或者主要是因为夹杂固体加工碎片的水流更具磨蚀作用。对于通孔，大约50％的孔从一面加工，其它的孔从另一面加工，从而保证在预成品的整个厚度内由孔形成的空隙的密度基本均匀。出于同样的目的，在图4中，从预成品的每一面形成大约相同数目的孔。
当纤维材料可以通过热消除时，另一种可能的用于形成孔的技术是产生局部热作用，特别是通过激光辐射。尤其是对于碳纤维，在氧化介质(例如空气)中施加热作用可以通过氧化除去纤维材料。可以使用各种激光源，比如二氧化碳型激光器或者钇铝石榴石(YAG)型激光器。当形成非通孔(non-through hole)时，使用激光辐射可以控制孔的深度，这使孔能够通过切割形成，也可以容易地控制孔的方向。
其它技术也可以通过移除材料来形成孔。可以使用借助高速驱动的工具(比如钻头、钻孔机、切割机)进行加工的技术，借助刀、冲压机切割或模具进行切割的技术，或者借助电腐蚀进行加工的技术。这些加工技术已经广为人知。
以上这些通过移除材料形成孔的技术对预成品的纤维有破坏作用，然而与形成孔之前纤维的初始排列方式相比，这些技术不会改变纤维在孔壁附近的排列方式。因此，起初位于孔形成的位置的纤维被有利地完全移除或者消除，这样，所形成的孔就被限定在纤维被消除或者破坏的区域，并且在预成品中孔壁附近的纤维的每单位体积密度不会增加，这不同于通过插入针将纤维向后推入构成孔壁的区域来形成孔时所造成的情况。
在随后的CVI型致密化工艺中，当反应气体穿过孔壁时，同穿过预成品的外表面相比，反应气体进入纤维预成品材料的路径不再受到限制，这不同于在形成孔的过程中纤维被向后推入孔壁区域所造成的情况，因为后者会导致在孔的表面处纤维的每单位体积密度局部增加以及在致密化过程中孔壁的过早封闭(premature closing off)。因此在致密化过程中避免了会使孔壁的效力丧失的孔壁的过早封闭。
在预成品以及经过CVI型工艺致密化之后得到的合成材料件中，孔壁附近的纤维的每单位体积密度与在预成品或者零件的其它部分的纤维的每单位体积密度相比没有显著增加。因此避免了合成材料特性的不均匀。
选择孔的平均直径使其足够大从而避免它们在CVI型致密化过程结束之前封闭，因为这会阻止它们发挥功能，然而孔的直径也要保持在一定的限度以避免影响致密化后得到的合成材料件的表现，特别是当孔的直径超过某一数值时，对反应气体的进入就不会再有真正的改善，即使在CVI型工艺的末尾。
因此，孔的平均直径是下列因素的函数：沉积在纤维上的基体的厚度、所要制造的零件的尺寸、以及零件的用途。
通常，特别是对于飞机刹车盘的预成品，孔的平均直径可选择在大约0.05毫米到2毫米范围内的值。
孔的密度也应该同孔的直径一起选择足够高，从而在CVI型致密化过程中为反应气体提供到达衬底任何部分都比较短的路径，然而孔的密度也要保持在一定的限度以避免影响致密化后得到的合成材料件的表现。密度可根据所要制造的零件的尺寸和用途进行调整。
通常，特别是对于飞机刹车盘的预成品，孔的密度可选择在大约0.06孔/平方厘米到4孔/平方厘米范围内的值。在图2到6中，孔的密度是在预成品的中间平面测量的，这样对具有盲孔的实施例也同样适用。当孔都是通孔时，如图3和5所示，也可以在一个表面上测量孔的密度。在图11和12中，孔的密度不恒定，这时就要计算平均密度。
换言之，相邻孔的轴线之间的距离或者间隔优选处于0.5厘米到4厘米范围内的值。在图11和12的实施例中，上述的间隔是指平均间隔。
在给定的预成品中，孔的直径可以相同也可以不同。
类似地，在给定的预成品中，孔的密度可以恒定也可以变化。
孔形成以后，预成品通过CVI型工艺进行致密化(步骤14)。使用碳或陶瓷基体的CVI型致密化工艺已广为人知。根据所要沉积的基体材料的性质选择使用适当的前驱物。
根据情况，特别是根据所要致密化的预成品的厚度和所要达到的密度的函数，可选地可能会需要除去至少预成品的暴露表面。如果执行除去表层的操作，步骤14就包括第一致密化周期I1，随后对预成品表面的加工，以及第二致密化周期I2。
图13显示了图2所示的这类预成品经过CVI型致密化之后得到的刹车盘26，该刹车盘已经加工成了最终的尺寸，并且形成了槽口(notches)26c和凸榫(tenons)26d用以机械固定刹车盘。在这个例子中，刹车盘是用于飞机刹车的固定盘，具有两个相对的摩擦面26a和26b。从图中可以观察到对应于在预成品中形成的孔的孔28是可见的。然而，因为直径较小，这些孔在随后刹车盘使用时不起任何作用，比如冷却作用。
在图2和7所示的例子中，孔分布在整个体积内。在本发明的一个变化中，可以仅在预成品的某些区域形成孔或者在某些区域孔的密度更大，比如刹车盘中对应于摩擦面的区域，也可能是对应于凸榫(提供与刹车盘的机械连接)的区域。
图14是最后加工之前的飞机刹车盘26′的示意图，该刹车盘是致密化环形预成品之后得到的，在该预成品中孔的密度是变化的，这些孔是平行于刹车盘轴线并且在预成品主面形成开口的通孔。如致密化之后剩余的孔28′的排列所示，预成品中孔的密度在刹车盘的摩擦轨道附近(刹车盘的中间区域)最大，上述密度在上述中心部分和和刹车盘内、外圆周面相邻的部分之间逐渐减少。这有助于均匀地致密化在刹车时用到的刹车盘的那一部分。在某些情况下，也可能设想通过形成孔促进其它部分的致密化，即除了那些对应于刹车盘摩擦轨道以外的部分，比如预成品中对应于凹槽(relief)或者凸榫的部分，这些部分形成在内圆周面或外圆周面并为刹车盘与固定或旋转元件之间提供机械连接。
尽管以上说明是关于用于制造刹车盘的环形纤维预成品的，然而可以清楚地看出本发明适用于制造合成材料件的所有类型的预成品，尤其是较厚的零件，因为这类零件会出现均匀致密化的问题。
此外，本发明也适用于不考虑预成品中纤维以及基体(被沉积用于通过CVI型工艺致密化预成品)的性质的情况。
还应该注意到致密化本发明打孔后的纤维预成品的过程，包括使用液体技术进行部分致密化的第一阶段和CVI型致密化的第二阶段。已广为人知的通过液体技术进行的致密化是将液体混合物注入预成品至少一次，该液体混合物包括用于基体材料的液体前驱物。典型的前驱物为树脂，比如作为碳的前驱物的有机树脂。经过干燥除去所有溶剂以及树脂聚合后，进行热处理以转化前驱物。
例1
用于制造飞机刹车盘(碳/碳合成材料)的环形纤维预成品(由碳纤维制成)的制造过程如下所述：
通过将三个预氧化PAN纤维材料的单向网按照彼此之间成±60°夹角的方式重叠并通过缝纫连接在一起得到多向网。将多向网重叠并随着重叠逐渐将其缝在一起，最后得到缝好的纤维板(plate)，然后切割纤维板得到预氧化PAN材料的环形预成品。
在大约1600℃的温度下对预氧化PAN预成品进行热处理，以将PAN转化为碳。所得到的碳纤维环形预成品的内外直径分别是26厘米和48厘米，厚度为3.5厘米，纤维体积百分比约为23％，纤维体积百分比就是被纤维占据的预成品的表观体积(apparent volume)的百分比。
有些预成品被平行于轴线的通孔穿透，这些通孔是由力压下的喷射水流形成的，孔的密度基本恒定，约为1孔/平方厘米。以这种方式得到了一些具有不同直径的孔的预成品，其中预成品A1、A2的直径约为0.2毫米，预成品B1、B2的直径约为0.5毫米，预成品C1、C2的直径约为1毫米。
作为比较，在另外一个预成品D中，孔是通过插入直径为2毫米的针形成的，其中孔的密度为1孔/平方厘米，针随后被拔出以进行CVI致密化。
准备了环形堆(stack)形式的预成品加载(load)，这个环形堆品基本上由非穿透(non-pierced)的预成品E组成，其中预成品A1、A2、B1、B2、C1、以及C2被插入在一对非穿透预成品E1和E2之间。
图15表示将这个环形堆30形式的加载放入CVI致密化炉的反应室32中进行“导向流”(directed flow)型CVI致密化，如美国专利5 904957所述。简单地说，通过在形成了反应室的线圈34与石墨基座(susceptor)36之间的感应耦合加热致密化炉，其中在线圈和基座之间填充有绝缘物。反应气体从基座36的底部被引入，穿过预加热区37，然后被导入环形堆的内部空间31(堆顶被封闭)。气体穿过反应室32在环形堆30外面的内部空间，通过位于预成品之间的由间隔物(spacers)(未显示)提供的缺口(gaps)，并扩散通过缺口。最后用气泵(该气泵在反应室内建立了所需的压力水平)将废气(effluent gas)从基座的罩子(cover)抽出。
含有热解碳(pyrolytic carbon)基体的衬底的CVI致密化是利用基于天然气的反应气体在大约5kPa的压力以及大约1000℃的温度下进行的。
致密化是在两个周期(I1和I2)中进行的，这两个周期被除去表层的操作隔开，在这一操作中需要从炉中移出环形堆加载。在预订条件下执行周期I1，以使预成品E的相对密度升高到大约1.6。为了使预成品的厚度接近所要得到的刹车盘的厚度，对部分致密化的预成品的主面进行加工以除去表层，随后在预订条件下执行周期I2，以使相对密度升高到大约1.8。对于周期I2，将部分致密化的预成品按照E1、A1、A2、B1、B2、C1、C2、以及E2的顺序放回炉中。
同样的流程可以用于在两个周期I1和I2中致密化由E型衬底组成的堆形加载，除了将衬底D插入堆中并与衬底E3相邻之外。
表1给出了在周期I1和I2之后测量盘A1、A2、B1、B2、C1、C2、E1以及E2所得到的密度值，以及在周期I2之后测量E3和D所得到的密度值。从表中可以看出盘A1、A2、B1、B2、C1、以及C2的最终密度明显大于盘D、E1、以及E2的密度，而且同盘E3的密度相比，盘D的密度远远不能在周期I2结束时增加到同样的水平。
表1
起始预成品 孔   周期I1结束时的密度   周期I2结束时的密度
    E1A1A2B1B2C1C2E2 无Φ0.2毫米Φ0.2毫米Φ0.5毫米Φ0.5毫米Φ1毫米Φ1毫米无   1.581.591.561.561.571.571.591.61   1.811.881.881.891.891.891.891.80
    E3 无   1.79
D 插入Φ2毫米的针 1.81
为了验证是否存在致密化梯度，在周期I2之后，从盘A1、E1、D、以及E2沿着这些盘的半径切下基本上呈矩形的块。对于每一块，在内直径和外直径之间的不同区域Z1到Z5(在每一个区域的两个面的附近以及在径向的中间部分测量)测量密度。
表2给出了测得的密度值。可以看出根据本发明制造的盘A1得到了出色的结果，它的密度几乎是均匀的(变化小于1.7％)。
对于从没有孔的预成品制得的盘E1和E3，可以观察到明显的密度变化，这说明尽管进行了中间的除去表层的工作，仍然存在相当陡峭的致密化梯度(变化分别为8.1％到7.7％)。
盘D测得的密度变化为6％，尽管比E1和E3变化小，然而仍然很大。
表2
  起始预成品 孔                 周期I2结束时的密度
Z1 Z2 Z3 Z4     Z5(外半径)
  面A1中心面 Φ0.2毫米     1.861.861.87     1.871.861.87     1.881.861.87     1.871.851.86     1.871.851.86
  面E1中心面 无     1.831.801.81     1.771.691.76     1.781.701.76     1.791.691.78     1.841.781.82
面D中心面 插入Φ2毫米的针     1.821.771.79     1.791.721.77     1.771.711.76     1.791.721.78     1.801.791.79
  面E3中心面 无     1.801.751.75     1.781.701.73     1.751.671.74     1.771.711.76     1.811.781.81
因此，本发明的方法非常出色，因为它能增加致密化的程度(这样对于给定的目标密度，就可以缩短致密化的时间)，同时几乎消除了致密化梯度，这是现有技术(通过插针形成孔)无法达到的结果。
例2
本流程基本上与例1的流程相同，但是没有中间除去表层的过程，准备环形碳纤维预成品堆形式的加载，该预成品用于制造固定盘和旋转盘，厚度介于24毫米到36毫米之间，该预成品包含已经被加压喷射水流处理过的预成品(孔的直径为0.5毫米，孔的密度基本恒定，为1孔/平方厘米)，也包含没有打孔的预成品。
执行CVI致密化周期以提供热解碳基体，在总时间的3/4处中断该周期，以测量部分致密化预成品的相对密度。表3给出了在该周期的总时间的3/4处以及该周期结束时测得的中间以及最终的平均相对密度。
表3
  预成品   盘的类型   厚度(毫米)     中间密度     最终密度
无孔   固定盘   24     1.65     1.74
  30     1.65     1.72
  36     1.68     1.70
旋转盘   28.5     1.71     1.75
  33     1.71     1.77
有孔   固定盘   24     1.66     1.79
  30     1.69     1.80
  36     1.73     1.82
旋转盘   28.5     1.75     1.83
  33     1.74     1.83
在中间阶段没有达到要求的目标密度(1.78)，然而有孔的预成品的密度更大。在致密化周期结束时，所有有孔的预成品都达到了目标密度(加黑字体表示的数值)，而所有没有打孔的预成品都没有达到这一目标。
这个例子说明通过按照本发明在预成品中形成孔，可在单个周期中得到有密度要求的碳/碳合成材料的刹车盘，而无需中间除去表层的过程。
例3
本流程基本上与例1的流程相同，但是没有中间除去表层的过程(几乎与例2相同的单致密化周期)，形成环形碳纤维预成品堆形式的加载，该预成品用于制造刹车盘，该加载包括没有打孔的预成品和具有不同孔密度的打孔的预成品。所述孔为平行于轴线的通孔，直径为0.5毫米，利用如图7所示的方形阵列模板由加压喷射水流形成。
在总时间的2/3处中断致密化周期以测量那时所达到的平均中间密度。表4给出了针对具有不同孔密度的预成品测得的中间以及最终平均相对密度。表4还给出了在中间的暂停和周期结束之间的密度增长率(以密度点(density points)/小时计算)，这显示了最后数小时的沉积速率。
表4
孔 中间密度 最终密度     密度增长率(密度点/小时)
    无     1.661     1.772     6.27×10-4
    2厘米×2厘米阵列 1.650 1.793 8.08×10-4
    1.5厘米×1.5厘米阵列 1.661 1.817 8.81×10-4
    1厘米×1厘米阵列 1.690 1.852 9.15×10-4
可以看出增加孔的密度会使在致密化周期的最后阶段沉积的速率加快。
例4
本流程基本上与例1的流程相同，但是没有中间除去表层的过程，形成环形碳纤维预成品堆形式的加载，该预成品用于制造刹车盘，上述加载包括没有打孔的预成品和按照图14所示方式打孔的预成品。上述打孔的预成品为旋转盘预成品，内、外直径分别为26.7毫米和46.8毫米，厚度为3.5厘米，并且具有576个直径为0.5毫米的通孔。这些孔是利用平行于预成品轴线的加压喷射水流形成的。
图16中的曲线A显示了在标准时间的致密化周期(与例2和例3中的致密化周期具有相同的量级)结束时测得的密度是如何作为盘的半径的函数而变化的。作为比较，曲线B显示了对由同样大小但是没有打孔的预成品制得的盘测得的密度变化。
可以看出在预成品的中间部分，更大的孔密度会导致在这部分的盘的材料的密度更大，而由没有打孔的预成品制得的刹车盘呈现出明显的密度梯度，其中最小值位于预成品的中间部分。

Claims (24)

1.一种制造合成材料件的方法，包括：准备纤维衬底，从衬底的至少一个表面开始形成在衬底内延伸的孔，随后通过基体致密化该衬底，该基体至少部分通过化学气相渗透型工艺形成，
其中，通过从衬底中移除纤维材料并破坏纤维而在衬底中形成所述孔，纤维在带有孔的预成品中的排列方式与孔形成之前的初始排列方式相比实质上没有变化，以便其后能够实现几乎均匀的致密化。
2.如权利要求1所述的方法，其中通过加压喷射水流加工形成孔。
3.如权利要求1所述的方法，其中通过对预成品的纤维材料施加局部热作用形成孔。
4.如权利要求3所述的方法，其中在激光的作用下形成孔。
5.如权利要求3或4所述的方法，其中通过氧化将纤维材料消除来形成孔。
6.如权利要求1所述的方法，其中利用高速工具加工形成孔。
7.如权利要求1所述的方法，其中通过切割形成孔。
8.如权利要求1所述的方法，其中通过电腐蚀形成孔。
9.如权利要求1所述的方法，其中衬底为环形预成品，并且孔在预成品的至少一个主面形成开口。
10.如权利要求1所述的方法，其中衬底为环形预成品，并且孔至少在预成品的外圆周面形成开口。
11.如权利要求1所述的方法，其中孔的平均直径在0.05毫米到2毫米的范围内。
12.如权利要求1所述的方法，其中衬底中孔的密度在0.06孔/平方厘米到4孔/平方厘米的范围内。
13.如权利要求1所述的方法，其中衬底中孔的密度可变。
14.如权利要求13所述的方法，其中衬底形成用于制造刹车盘的环形预成品，孔在预成品的至少一个主面形成开口，孔的密度变化，并且在对应于刹车盘的摩擦轨道的衬底的中心部分和与衬底内、外圆周面相邻的衬底部分之间减少。
15.如权利要求1所述的方法，其中相邻孔的轴线之间的距离在0.5厘米到4厘米的范围内。
16.一种非致密化的纤维衬底(20)，用于通过随后的致密化来制造合成材料件，该衬底具有从衬底的至少一个表面延伸到衬底内的孔，
其中在孔壁附近的纤维的每单位体积密度与在衬底其它部分的纤维的每单位体积密度相比没有显著增加。
17.如权利要求16所述的衬底，其中孔被限定在纤维被除去或者破坏的区域。
18.如权利要求16所述的衬底，其中孔的平均直径在0.05毫米到2毫米的范围内。
19.如权利要求16所述的衬底，其中衬底中孔的密度在0.06孔/平方厘米到4孔/平方厘米的范围内。
20.如权利要求16所述的衬底，其中衬底中孔的密度可变。
21.如权利要求20所述的衬底，该衬底形成用于制造刹车盘的环形预成品，其中孔在衬底的至少一个主面形成开口。
22.如权利要求21所述的衬底，其中孔的密度可变，并且在对应于刹车盘的摩擦轨道的衬底的中心部分和与衬底内、外圆周面相邻的衬底部分之间减少。
23.如权利要求16所述的衬底，该衬底形成环形预成品，其中孔至少在衬底的外圆周面形成开口。
24.一种合成材料件，包含由至少部分通过化学气相渗透型工艺得到的基体而致密化的纤维加强件，和从它的至少一个表面延伸到它内部的显孔，上述纤维加强件由权利要求16至23的任意一项所述的衬底制成。
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