CN101528637B - 用于一个或多个多孔制品的致密化的功率控制 - Google Patents

Abstract

一种控制施加到感应线圈组件的功率的方法，所述感应线圈组件用于将带有液体基体前驱体的多孔制品致密化。当多孔制品变得更为致密时，所施加的功率的控制在被致密化的多孔制品的电特征中进行动态改变。具体而言，根据感应加热系统和多孔制品的耦合系统的谐振频率的改变而控制所施加的功率。

Description

用于一个或多个多孔制品的致密化的功率控制

本申请要求2006年8月7日申请的美国临时申请第60/821,596号的优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及将多孔制品理想地高生产率地致密化，特别是但不必只是例如航空器制动的摩擦制动制品领域中的多孔制品。本发明尤其涉及在致密化过程中改进工艺控制。

背景技术

在摩擦材料领域，通常公知的是使用多孔材料制造摩擦构件，例如使用多孔的预制件用来制造摩擦制动盘。这种摩擦构件的制造通常以多孔的预制件的结构开始。例如，在许多摩擦制动应用中使用环形预制件。

多孔的预制件(环形的或其它的)能够利用数个不同的公知方法(这些方法与本发明并无密切关系)来构造。不管怎样，期望对得到的多孔预制件(特别是但不必只是带有含碳材料的多孔预制件)进一步致密化，以便得到所期望的摩擦和机械属性。

化学气相渗透(“CVI”)是一种在这方面得到碳/碳复合物材料的广泛使用的常规技术。CVI利用包含碳氢化合物的气体来渗透多孔的预制件。CVI气体随后在高温下分解，从而将碳涂层留在预制件的纤维结构上。

常规的CVI典型地需要数百个小时的处理，以便得到具有期望的密度和机械属性的碳/碳(“C/C”)结构。举例而言，典型的常规CVI工艺包括进行例如超过大约300-500小时或更长的第一渗透周期。

然而，常规的CVI在预制件的内部部分被充分致密化之前，经常造成预制件的表面多孔结构的快速阻塞。包含碳氢化合物的气体从而不能再扩散到预制件的内部的未致密化部分内。为了“重新打开”表面多孔结构，以允许进一步的致密化，有必要进行中间机械加工步骤。总体而言，这种中间机械加工(利用公知方法，例如铣削)去除具有碳阻塞孔隙的预制件的表面层，以露出预制件的开放孔隙，使得碳氢化合物气体能够再次渗透预制件结构。考虑到在典型的致密化处理中使数百个预制件致密化，单个预制件的中间机械加工使得整个常规CVI致密化工艺增加多达48小时。

一旦完成了部分地致密化的制品的中间机械加工，就进行次级CVI工艺，以利用预制件重新打开的表面多孔结构。这种次级CVI工艺步骤能够持续例如另外的300-500小时或更多。这样通常就利用CVI完成了常规的致密化工艺。

致密化多孔预制件的另一种方法通常利用液态而不是气态的碳氢化合物前驱体。这种致密化方法在现有技术中有时称为“膜状沸腾(filmboiling)”或“快速致密化”。

例如，在美国专利第4 472 454、5 389 152、5 397 595、5 733 611、5 547 717、5 981 002和6 726 962号中讨论了用于致密化的液体前驱体的使用。这些文献中每一个的内容都通过引用结合于此。

膜状沸腾致密化通常包括将多孔预制件浸入液态碳氢化合物中，使得液体基本上完全渗透预制件的孔隙和缝隙。随后，浸入的预制件被感应地加热到液态碳氢化合物的分解温度(典型地为1000℃或更大)之上的温度。更特别地，毗邻感应加热后的预制件结构的液态碳氢化合物在预制件的多孔结构内分离为不同的气相物类。这些气相物类进一步的热分解导致在多孔材料的开放区域的内部表面上形成热解碳(pyrolitic carbon)，使得预制件的多孔结构缩小。

感应加热的概念在本领域通常是公知的，包括如前述参考文献中所述。膜状沸腾的致密化能够比以气体为基础的CVI工艺过程更快地进行。例如，相比上述CVI的数百小时，膜状沸腾能够基本在数个小时内完成。

源于更快的处理时间的益处能够通过在一个工艺周期内一起处理多个预制件而进一步增强。然而，构造用于处理多个部分的感应加热装置的常规方法在电学上是复杂的，要求负载平衡等等。

发明内容

考虑到前文，按照在此之后所要求保护的本发明，本发明涉及多孔制品的致密化，同时解决如上所述的常规技术中公知的一个或多个问题。

附图说明

通过参考附于此处的附图，将更为清楚地理解本发明，在这些附图中：

图1为与本发明有关的膜状沸腾致密化装置的示意图；

图2和3为根据本发明的用于处理例如制动预制件的多个多孔制品的反应室的局部剖面的侧视和俯视的示意图；

图4为与本发明有关的感应线圈的示意性的侧视图；

图5为根据本发明的一个实例的安装在一对感应线圈之间的多孔制品的一部分的局部横截面视图；

图6为与本发明有关的感应加热系统中用于控制功率频率的系统的高示意性的图示；

图7为用于将多个多孔结构致密化的替代性配置的侧剖视图；

图8为用于将多个多孔制品致密化的另一种替代性配置的示意性的立体图；

图9a-9h显示了电功率如何与多个用于将多个多孔结构致密化的感应加热线圈在电气上并联设置的不同的非限制性的示意性实例；

图10a-10c显示了电功率如何与多个用于将多个结构致密化的感应加热线圈在电气上串联设置的不同的非限制性的示意性实例；

图11a-11d显示了根据本发明的感应加热线圈中的电流检测(current sense)的不同的非限制性的示例性实例；

图12显示了用于选择最小和最大设置点的周期时间和频率之间的关系；

图13为显示根据本发明的周期时间和频率变化和功率电平之间的关系的图表；

图14显示了频率变化和致密化速度(百分比/小时)之间的统计相关性；以及

图15显示了在本发明中所能够安装的多孔制品如何能相对于感应线圈而安装的变化。

在本申请中的所有附图为图示性的并且为实例的方式。比例和大小可以是或可以不是实际大小。

具体实施方式

仅仅通过实例和/或例证，在下文提到了多孔预制件，例如用于制造摩擦制动盘的多孔碳预制件。但是，需清楚地注意到，本发明一般更适用于以所述方式来致密化其他类型的多孔基材。

在图1中显示了利用液体前驱体进行致密化的装置的高度示意性图示。该系统可以包括远程液体前驱体存储场所100(包括例如液体传送系统)以管理新的和使用过的前驱体液体的传送。根据本系统的使用过的前驱体液体的一个实例是液态碳氢化合物，例如环己烷(C₆H₁₂)。例如，可以提供用于液体前驱体的一个或多个远程存储罐的罐“场(farm)”(以100集中表示)。该罐场还可以包括一个或多个用于至少初始存储使用过的液体前驱体的罐。出于安全原因，期望或者甚至是需要(其取决于可应用的工业要求)至少使罐场100离其余装置有一定的距离。例如某些地方和/或国家条例要求离开数百英尺。

如果需要的话，该装置可以选择性地包括相对较小的本地存储罐105，以保持相对少量的新前驱体液体靠近处理装置。

用于使所述装置的各部分互相连接的管道系统(包括泵和类似物)是常规的，其可以是适合所用液体前驱体(特别是但不必只是液态碳氢化合物)传送的任何构造和配置的系统。液体传送系统优选但不必须是计算机控制的系统。商业可用的计算机控制系统(例如但不限于在商业上可从OPTO 22公司得到的那些)可以用于监测和控制这种类型的液体传送系统，包括从外部供应者装载新液体前驱体。

液体前驱体从本地前驱体存储罐105被供给一个或多个反应室(以110集中表示)。优选地，提供足量液体前驱体以基本将正被致密化的一个或多个预制件浸没在其中，以及与其相关联的感应加热线圈。

如前所述，膜态沸腾工艺产生部分引起热解碳形成在预制件多孔结构的内表面上的气体物类。尽可能地俘获额外的前驱体蒸汽，并使其在常规冷凝器单元115中凝结以在该工艺中尽可能地循环到存储场所100。可利用商用冷却塔140以维持用于冷却冷凝器单元115的充足水温。

还剩下的废气可以被传送到可选的常规热氧化剂120，从而将废气中残存的碳氢化合物燃烧掉。

来自AC电源125的电通过金属总线汇流条30传递到感应线圈25(示意性地显示于图2和3中)，该总线汇流条30根据设备中所给的元件配置并且根据适当的所需考虑的尺寸而构造。总线汇流条可以例如由铜制成。总线汇流条30可以可选地通过水冷却网络50(例如参见图2)而进行水冷却。每个电源125可以具有远程比例-积分-微分(PID)循环控制能力，并且能够通过计算机控制终端进行监测和控制。本发明中所关注的致密化工艺的功率密度控制、电压控制、电流控制、频率控制以及/或者温度控制将单个地或者通过其不同的组合而在此之后讨论。

图2为构造并配置为处理其中的一个或多个多孔预制件的反应室110的局部剖视的侧视图。图3为反应室110的对应的局部剖视的平面图。

反应室110具有例如两对感应加热线圈装置25，对应于将被处理的每一个预制件35(参见图3)。感应线圈装置25的每一个包括一对隔开的感应线圈，所述感应线圈优选为利用非反应的热稳定支架而安装到位，所述支架例如由能够承受例如液态碳氢化合物环境的在电学上为非导体的玻璃复合材料45(例如在本领域中公知的“G-10”)制成。感应加热线圈25的每一个优选地为水冷扁平螺旋线圈，并且可以由铜金属制成。出于这个原因，需要提供专用于感应线圈25的水冷系统的热交换器135(参见图1)。热交换器135，如果有的话，可以以公知方式连接到冷却塔140(参见图1)。在使用中，正被致密化的预制件(或磨损的制动器)35通过直接在其每一侧上与感应线圈25耦合而加热(同时参见图5)。

在装载和卸载线圈/反应器室110的一个实例中，顶部盖板15提供有用来密封室110的常规锁定机构(例如常规的螺栓)。每个反应室110(与所提供的一样多)提供通用液体前驱体供给线路连接20和可操作地分别连接至冷凝器115和热氧化器120的公共排气线路10。出于显示的清楚，排气线路10和前驱体供给线路20的外部连接未显示在图2和3中，但是与图1一致。

注意到图8显示了不同的反应室设计80，其中多个预制件82从前装载到架子状结构上，该架子状结构能够滑动(由所示)进入反应室空间内。

每个反应器室110能够通过计算机控制系统进行所需的充满、排空以及监测。来自致密化工艺的排放液体前驱体蒸汽被冷凝并最终反馈至反应器室110，而接着将残余的废气送至热氧化器120并进行燃烧。

例如，反应室能够合适地由铝制成。其它合适的材料是非磁性的，并且可以非限制性地包括玻璃、不锈钢、陶瓷或其组合。根据被致密化的预制件的尺寸提供专用内总线和线圈。预制件直径的典型实例在从大约10”到大约25”的范围内。特别常用的实例包括15”以及20”直径的预制件。

因为挥发性液态碳氢化合物是用于本发明的液体前驱体的特定实例，所以希望(但不是必须的)提供惰性气体供给系统(未示出)用以例如冲洗管路系统并通常用惰性气体(代替含氧空气)填充系统中的空旷从而降低燃烧的危险。为此目的，氮气是一个适合的惰性气体的实例。另外，在远程和本地液体前驱体存储罐中的空的空间维持在氮气(或其他常规已知的惰性气体)的轻微的、连续提供的超压下，从而阻止挥发性蒸汽的潜在危险积聚。与排出的氮气混合的碳氢化合物物类被送至热氧化器120使得在将气体排出至外部之前燃尽碳氢化合物。

而且，由于系统使用了“湿”工艺，因此有利的是在系统中提供干燥炉130从而在致密化后干燥致密化的预制件。还优选将来自这样的干燥炉130的废气连接至热氧化器120以处理在残余废气中夹带的重芳烃和轻芳烃。出于安全考虑，使用在结构上能够抵抗在其中万一发生爆炸事故(倘若在干燥过程中在炉中存在挥发性气体)的炉结构是有利的。干燥过程可以是例如计算机控制的从而简化工艺控制。

沉积在根据本发明的多孔制品的孔隙中内的材料能够(严格地作为实例的而非限制性的)为碳、碳化硅、氮化硅、碳化碳-硅或者氮化碳-硅。

所沉积的材料(在本领域中有时称为“基体”材料)对应于所使用的液体前驱体的选择。例如，为了在预制件中沉积碳，能够使用诸如环己烷、n-己烷、苯、甲苯或其组合的碳氢化合物。能够使用甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、以及甲基二氯硅烷、三-n-甲基氨基硅烷或者其它有机硅烷混合物以沉积碳化硅和氮化硅。此外，能够选择前驱体液体以共同沉积(co-deposit)材料。例如，利用三-n-甲基氨基或其它硅烷化合物，能够沉积碳化硅和氮化硅的混合物。同样，利用适当选择的前驱体的混合物，能够生产诸如碳化碳-硅以及氮化碳-硅的共同沉积的材料。根据所需的基体，在基体致密化中在致密化或者共同沉积的早期阶段中，能够生产碳化硅或氮化硅界面涂层。

在致密化过程中旋转预制件被认为可以有助于提高致密化工艺。因此，预制件能够相对于对应的感应线圈安装，使得预制件在致密化过程中，在感应线圈的影响下围绕其中心旋转。例如，安装组件能够设在所给预制件的中心，该所给预制件能够适当地连接到位于各自的反应室外侧的旋转驱动设备。预制件的旋转速率可以按照当前预期为每分钟大约一转至大约五转。

按照所预想的系统，提供带有非粘性的电绝缘涂层的线圈和/或总线，以防止由预制件以及线圈和/或总线之间无意的接触而造成的电力负载故障或短路，这是有帮助的，所述涂层诸如聚四氟乙烯或者树脂聚环氧化物(即，环氧树脂)。

在一个所预想的实例中，在各自的反应室中的感应线圈与对应的AC电源相关联。适合用于该应用的商业上可用的AC电源的一个实例是型号为LSP 14-400/30 Lepel感应型电源。

来自电源的AC功率通过带有外部水冷却网络的铜(例如)总线汇流条传递到感应线圈。如下文进一步具体所讨论的，用于将对应的多个预制件致密化的多个感应线圈组件可以直接提供有电串联或电并联的电流，而无需诸如负载平衡等等的另外的电路。

例如，Lepel电源具有远程比例-积分-微分(PID)循环控制能力，并且能够通过计算机控制终端进行监测和控制。通过已知方法的致密化工艺的功率密度、电压控制、电流控制以及/或者温度控制也处于预期配置的范围内。

利用由弯曲铜管(方的或者圆的)构造的常规扁平线圈会导致与螺旋感应线圈相对应的不想要的“螺旋”致密化(有时候称为“镜像效应”)。“螺旋致密化”是通常称为非均匀致密化的公认的技术术语，具体特征是通常为圆周的“条纹”-区域，在所述区域中致密化明显不同于相邻区域。这种问题性对于线圈设计中的瑕疵，特别是对于线圈相邻线匝之间的间隙来说是很重要的。似乎常规的铜管相对难以形成(即，弯曲)为扁平线圈，同时保持线圈相邻线匝之间一致的间隙。从而，在常规结构中所产生的线圈的线匝之间的间隙可能会导致相邻预制件的加热不充分。这进而导致较差的致密性。此外，扁平线圈的距离通常处于固定的位置，所述位置不允许用于深度渗透的任何调节。

因此，该系统使用由例如¹/₄”实心铜板制成的感应线圈，所述铜板被铣削或者以其它方式机械加工为需要的线圈形式。优选地，使用高精度机械加工操作以从铜板形成线圈，诸如，例如，电脑数值控制(CNC)铣削以及类似操作。铜冷却管硬焊在机械加工的铜板的外部(即，在使用中与面对预制件的侧面相对的位置)侧面上。只要它能够在膜状沸腾工艺(以及任何其它可以采用的热处理)中承受期望的温度环境，硬焊组合物可以是适合于对铜进行硬焊的任何商业可用的组合物。

从而，感应线圈25包括实心金属部分25a(例如通过如上所述的铣削金属板而制成)以及水冷却管25b，该水冷却管25b硬焊到与预制件35相反的线圈的一侧上的金属部分25a。图4为感应线圈25的局部侧视图，显示了水冷却管25b硬焊在其上的感应线圈的一侧，且图5为安装在框架45中的一对感应线圈25之间的预制件35的局部横截面视图。注意到交替的线圈线匝的部分已经从图4中移除(如通过表示连续性的虚线所提示的那样)，以使该附图更为清楚。

因为目前预期的感应线圈使用机械加工的平整金属板(例如由铜制成)，与弯曲铜管比较，其能够以更高的精度(特别关于线圈的线匝之间的间隙)生产。此外，机械加工的铜板并不像弯曲的铜管一样承受应力和应变变形。

在此之后的图5为根据本发明的感应线圈的一段的横截面视图。诸如螺栓轴27的安装夹具可以常规的方式连接到冷却水管25b的外部。各自的螺栓轴27可以与对应的螺母27’或者类似物使用，以将每一个感应线圈25安装到支架框架45(其能够由G-10玻璃或其它适合的化学中性材料制成)。能够通过支架37将预制件35相对于感应线圈25适当地保持，支架37将预制件保持在其外围的多个位置。支架37也能够由G-10玻璃或者其它用于制造框架45的材料制成，例如非活性的石英玻璃或者氧化铝滚柱。例如，支架37为空心的圆柱构件，该圆柱构件具有形成在一个开口端的横向凹口37a，该凹口在尺寸上适合容放预制件35的边缘。能够根据预制件35的厚度而使用具有不同的宽度37a的不同的支架37。可以通过螺栓或螺钉等等利用基座37b而相对于框架45安装每个支架37。在径向上延伸的狭槽39能够设在框架45中，以容放用于安装基座37b的螺栓或螺钉，从而能够根据所支撑的预制件35的直径，通过沿其移动用于基座37b的固定点来调节每个基座37b的径向位置。

在本领域公知的是，预制件在被致密化之前通常是柔软和柔韧的。因此，在预制件被致密化之前想要将预制件相对于感应加热线圈以这样的方式保持以降低翘曲或变形的弯曲和其它形式。图15显示了一种预制件安装配置，该配置是图5中所显示的预制件安装配置的变型。在图15中，除了支架37，围绕预制件的外围提供有悬挂带39，从而为预制件提供更好的支撑。悬挂带39包括例如多个规则地隔开的支撑构件，例如通过在化学上为惰性的金属丝或细丝39b(例如编织的陶瓷细丝，碳细丝，或玻璃纤维绞合线或细丝)相互连接的G-10玻璃或氧化铝的杆或管。带39更均匀地支撑预制件35的重量，以使变形最小化。带39能够悬挂在框架45(仅示意性地显示于图15中)的上部位置38a，并且能够可选地进一步固定在框架45(再次仅示意性地显示于图15中)的下部点38b，使得横向构件在框架45的相对侧之间延伸(参见图5)。

为了使得预制件达到其全密度(full density)，想要的是预制件的中心最初被加热至高于前驱体液体的热解温度。随着致密化的进行，由于通过感应加热产生的加热轮廓，致密化从预制件的中心部分径向向外移动，其中预制件的表面区域通过与液体前驱体的接触而被相对地冷却。在一个实例中，电源的频率设置为(考虑预制件的材料特征)提供大致接近预制件的中心的趋肤深度。随着预制件中心的致密化，响应于由致密化引起的预制件的电特征中的变化，电源的频率提高。

使用在膜状沸腾的致密化工艺中的感应线圈的结构对于得到具有包括摩擦特征的适当的机械特征的致密化的预制件是相当重要的。

致密化速度与多孔结构内部的温度有关，并因此与所使用的功率电平有关。用于加热的功率的控制能够给出所需要的致密化动力。

例如，常规方法包括根据所建立的预定的(且不变的)功率曲线“方法”来控制功率，以得到所需要的最终材料。另一种常规方法是在致密化过程中测量多孔结构内部的温度，使得能够根据温度设置点或参考来控制功率。例如对于碳制动盘，制动预制件的内部温度典型地维持在900℃和1200℃之间。

相比而言，本发明是一种在与被致密化的多孔制品的致密化状态相关的频率相关参数的基础上控制功率的方法。该方法包括通过改变所使用的功率电平以产生用于感应性地加热多孔结构的电磁场来控制多孔制品的致密化动力(即，每次的制品重量增益(经过致密化))。

现在在此之后来讨论所预期的本发明的某些特征，并且这些特征在与膜状沸腾的致密化的常规工艺相称的地方是突出的。

在定义用于所给多孔制品的致密化动力时能够考虑的操作参数为：初始功率设置(P1)；最终功率设置(P2)；初始平稳时间(T1)；斜线时间(T2)；斜线型(R1-线)或(R2-多项式)；最终平稳时间(T3)；以及预制件尺寸(R-转子)或(SS-单个定子)。

本发明允许在通过直接的电磁耦合而加热制品的同时控制多孔制品(例如碳预制件)的致密化动力。该方法基于在致密化过程中间接地控制电路的谐振频率，该电路由感应加热线圈、电源和多孔制品组成。通过膜状沸腾工艺的基体材料的沉积造成感应线圈和多孔制品组件的电特征的变化，该变化使得该系统的谐振频率增高。

图14显示了用于两个不同的预制件(使用不同的功率和处理时间条件)的谐振频率变化和致密化动力之间的统计相关性。对于每一点，作为在该周期内在所测量的时间上的平均变化频率的函数而绘制出了致密化动力(由致密化时间除重量增益)。该附图显示致密化动力与频率变化高度相关。因此，通过在致密化周期的过程中控制频率的增大，可以控制该部分的致密化动力。

为了进行这种功率控制，电源必须具有连续地匹配调谐电容器和感应线圈的谐振频率的能力。例如，Statipower LSP14能够在大约20-30kHz的范围内调节其频率。为了利用包括在此范围内的谐振频率而启动致密化，必须通过有意地改变加热线圈的电感，或者通过调谐电源中的电容量，来适应所述“负载频率”。

因而，在致密化周期的过程中，该系统的初始和最终谐振频率必须在电源的匹配能力的范围内(例如，在Statipower LSP14电源的情况下，其为10kHz)，否则在致密化周期的过程中必须调节调谐电容以降低谐振频率。

例如，当与Statipower LSP14电源一起使用如上所述的电感线圈时，在用于20英寸的航空器轮胎的碳纤维预制件的致密化周期的过程中所产生的谐振频率变化典型地小于+8kHz，这意味着LSP14的谐振频率匹配范围的宽度足以进行根据本发明的这种预制件的致密化。

图6为用于进行根据上述概念的致密化周期的谐振频率控制系统的示意性图示。

该系统包括具有谐振频率匹配能力的电源60(例如，商业可用的Statipower LSP14)、用于加热被致密化的预制件64的感应线圈组件62、钩到感应线圈组件62的频率计/测量仪66(例如，商业可用的Yokogawa800+)、以及商业可用的计算机控制系统68(例如，商业可用的OPTO22)。

在致密化周期的过程中，频率计66测量线圈/预制件系统中的AC电功率的谐振频率，并且将其传输到计算机系统68。计算机系统68自动计算测量结果之间的频率变化，将其与之前输入程序中的频率变化设置点比较，并随后动态地调节功率输出以匹配或者至少向频率变化设置点移动。(频率计66表面所显示的数值严格地作为图示。)

在致密化周期的过程中，频率变化设置点可以是固定的或者可以是改变的。

图12显示了频率变化设置点的概念。在以周期时间为函数的频率的图表上，两条线显示了900℃的中心温度相对于1400℃的中心温度的整个时间上的频率的改变。能够意识到，更高的中心温度需要更短的周期时间以及更快增高的频率变化。因而，对应的频率变化设置点(其有效地为1400℃线的斜率)较高。

同样地，用于900℃的线在周期时间上延伸的更长，反映了在较低温度处需要更长的致密化时间。相关设置点因此相比1400℃线的相关设置点明显更小。

在此意义上看来，能够看到最大和最小频率变化设置点的概念可以被理解为与致密化过程中产生的最高和最低期望温度相关。因此频率控制发生在这些限值之间，而再次地，这样的限值内无论是否使用单一频率变化设置点，或者改变频率变化设置点。

图13显示两种致密化周期，其中谐振频率变化在此意义上得以控制。功率和频率变化(频率在时间上改变)在此显示在同一图表中。在此实例中，周期运行在两个不同的频率变化设置点处(周期#1使用0.22Hz/s，且周期#2使用0.15Hz/s)。

在这些致密化周期的第一部分的过程中，当预制件的中心被致密化时，功率保持相对较低和稳定。当致密化向前处理预制件的边缘(即，表面)时，功率更快地升高以达到所允许的最大功率电平。一旦频率变化为零(显示有效地完成了致密化)，致密化周期就停止。如所期望的那样，在更高的频率变化设置点运行的周期(周期#1)是最快的。

频率变化设置点不必保持恒定，它可以随着致密化工艺的推进，根据所需要的致密化模式而逐渐升高或降低。对于被致密化的碳预制件，当尽可能低地保持频率变化设置点时，将得到最高的中心密度。开始致密化时该设置点越低，必须完成该周期的运行将越长。在这些限值外的设置点会造成不正确的致密化。

该工艺控制的特性是，功率变化的影响在致密化开始处和结束处对于谐振频率具有不同的影响。在典型的致密化周期的过程中，恒定频率设置点在开始处比在结束处保持更低(即，更小)的功率变化。出于这样的原因，根据频率变化设置点进行功率调节的控制系统软件必须包括可变的功率校正因子(correction factor)。通常，当所述周期开始并向运行的致密化的结束增进时，必须将该校正因子设置的较低。

谐振频率控制能够用于提高的大规模生产。通常，预制件的中心致密化是关键的。总体而言，在此步骤期间的必须仔细控制功率以避免在温度过高时发生的所述盘内的孔的形成。不幸地，由于预制件之间的物理变化并且由于直接耦合加热，即使传输到所述盘的功率量相同，多孔制品内部的温度在一个周期到另一个周期中也可能会有所不同。如果以常规方式从功率曲线方法(预先确定的功率-时间曲线)对所述部件致密化，这对于组装线生产会存在问题。

在此之前所描述的频率控制是一种提高致密化的一致性的方法，因为功率适用于每个盘(尽管它们之间的物理特征存在差异)，以得到一致的平均致密化率。

谐振频率控制的另一个益处在于建立用于新型预制件(即，对于不同大小、构造和/或纤维类型)的致密化实践。确实，这些参数在加热所述盘所需的功率的电平上具有重要的影响。例如对于碳盘预制件，所述盘的厚度反比于在预制件内部达到给定温度所要求的初始功率。

另一个强烈地影响致密化的因子是z-纤维率(其为对应于沿着z-轴，或者换而言之，沿着垂直于预制件的摩擦面的方向所取代(例如，通过针刺法)的纤维的范围的百分比数值)。较高的z纤维率对应于通过所述盘的所述面的较高的冷却率。因此，为了达到所述部件内部所需的温度，需要更大的功率。例如，这些因子可能需要双倍的功率，以开始一个配置和其它配置之间的致密化。为了设置功率曲线，需要确定一个周期的不同阶段(典型地为三个阶段：在低功率处的平稳或缓坡，达到最大功率的斜线，以及保持最终高功率的时间)中的功率电平和致密化次数。每次都修改诸如预制件厚度或构造的参数，功率曲线的每一部分在常规上都必须达到最优化，从而获得所需的致密化，这需要大量时间和大量损耗的预制件。

相比而言，当利用此处所描述的谐振频率控制方法时，这种修改容易且快速，因为仅需要调节或另外考虑一个参数(频率变化设置点与频率变化的比值)。

多个多孔制品能够有效地被致密化。例如，用于致密化多个多孔制品的配置(参见图7)试图将多个堆叠的预制件72插入到反应室70内(在支架76或类似物上)，使得这些预制件的平面平行且水平。堆叠的预制件72可以通过按照本说明书的螺旋感应线圈组件74而环绕为一组(例如，与图8中的不同)。

此处所述的多个预制件的致密化的主要目的是利用多个感应线圈系统(与图7不同)而无需负载平衡设备来论证多部件直接耦合的概念。负载平衡设备首先由来自麻省理工学院林肯实验室的研究者在20世纪90年代的早期提出，并且随后被Textron Advanced Materials采用用于多部件的致密化开发。那时，普遍相信施加到多个预制件的感应场干扰和电流会极大地影响致密化工艺的均匀性。因此，所考虑的负载平衡单元必须同等地平衡提供到被致密化的单个部件的功率密度，从而生成用于多个部件的致密化的受控环境。

在目前的试验中，在如下响应的基础上对三个部分线圈(14”Φ)进行评价：

1.提取重量％(weight％pick-up)，

2.中间机械加工密度，

3.工艺温度，

4.电流测量，以及

5.层析成像扫描。

图8为利用如上综述的利用多个感应线圈组件82将多个预制件致密化的反应室80的示意性立体图。在图8的实例中，感应线圈的三个平行的组件82电并联地连接到公共总线84。

用于测试的配置与图8中所显示的配置相似，其测试显示，在每个组件中的工艺温度和所测得的电流在三部分中彼此紧密相随，而无需使用负载平衡设备。这可能意味着当利用多个感应线圈配置将多个多孔部件致密化时，各自的组件之间的感应场干扰是最小的，且功率损耗很低。然而其仍然未得以解决；场干扰也可能有助于功率平衡。

总体而言，来自不包含负载平衡的多个部件的致密化研究的所有的回答在至少三个部件的致密化配置中是一致的并且能够生产碳盘。温度和电流仿形(current profiling)两者都已显示所有三个预制件在致密化周期中接受了相似的工艺温度和功率密度。

图8的配置严格地以实例的方式显示了多个多孔部件的致密化，并且其它的负载配置也是可以的。更为概括地，图9a-9h和图10a-10c示意性地显示了各种配置，其中多个感应线圈组件能够分别以并联和串联的方式连接到电源。

另外，图11a-11d示意性地显示了用于给定线圈对的各种方式，其中能够将电流配置成在所述线圈中流动。

还考虑了将某些形式的隔热材料提供在预制件的外围和内围上，以解决在预制件的径向边缘处的致密化不规则的问题。隔热材料用来帮助将预制件的加热保持在其边缘处。隔热材料可以简单地是在化学上合适的毡制品，该毡制品通过细丝连接到预制件的内围和外围。例如，隔热材料可以是碳毡、玻璃纤维织物、甚至聚四氟乙烯网状物。连接物可以例如为碳或玻璃纤维丝。

另一种潜在的构造是机械组件(例如由化学上适合的陶瓷制成)，该机械组件能够以机械方式分别装卡到预制件的内围和外围。

尽管出于说明和解释本发明的目的已经通过结合某些具体的实例描述了本发明，但是应当理解，本发明通过引用而不仅限于那些实例的具体细节。更特别地，本领域一般技术人员将容易意识到，在优选的实施方式中能够做出各种修改和改进，并不脱离所附权利要求中所限定的本发明的范围。

Claims (10)

1.一种用于将一个或多个多孔制品致密化的方法，包括：

将所述一个或多个多孔制品装载在带有一个或多个感应线圈的反应室中；

将所述一个或多个多孔制品和所述一个或多个感应线圈浸入到用于将基体材料致密化的液体前驱体中，以使得所述液体前驱体渗透所述一个或多个多孔制品的孔隙；

利用所述一个或多个感应线圈将所述一个或多个多孔制品感应加热到一定温度，所述温度足以使蒸汽层在所述一个或多个多孔制品的所述孔隙的内部表面处形成，且足以使蒸汽热解并使致密化的基体材料沉积在所述一个或多个多孔制品的孔隙内，其中对所述一个或多个多孔制品的感应加热包括主动地控制AC电功率，所提供的AC电功率在致密化的过程中驱动所述一个或多个感应线圈，

其中在致密化的过程中对驱动所述一个或多个感应线圈而提供的AC电功率的主动控制包括：在致密化的过程中对驱动所述一个或多个感应线圈而提供的AC电功率中的频率变化进行控制，

其中对于所提供的AC电功率的频率变化的控制包括：

周期地测量提供到所述一个或多个感应线圈的AC电功率的频率；

计算所提供的AC电功率的测得的频率中的变化，并且利用频率变化设置点来比较各自的计算出的频率变化，所述频率变化设置点是在整个时间上的预先确定的频率改变；以及

根据所计算的频率变化和所述频率变化设置点之间的所述比较而调节所提供的AC电功率。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述频率变化设置点在给定的致密化周期上是恒定的。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述频率变化设置点在最小限值和最大限值之间是可变的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中最小频率变化设置点对应于能够发生致密化的给定多孔制品的最小中心温度。

5.根据权利要求4所述的方法，其中最大频率变化设置点对应于给定多孔制品的最大中心温度，超过该最大中心温度，致密化过程快速进行而导致所述多孔制品的内部部分处的致密化不完全。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述频率变化设置点在致密化周期的过程中增大。

7.根据权利要求1所述的方法，其中根据所述频率变化设置点而对所提供的AC电功率的调节在致密化周期的过程中是动态地进行的。

8.根据权利要求7所述的方法，其中为了对应于频率变化设置点而对所提供的电功率的频率的调节利用计算机控制系统在致密化周期的过程中是动态地执行的并且是自动的。

9.根据权利要求1所述的方法，其中提供多个感应线圈，以对应多个多孔制品，所述多个感应线圈电连接到公共电源。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述多个感应线圈通过单一的电力总线而连接到公共电源。

Images