CN102582090A

CN102582090A - 用于碳纤维处理和沥青致密化的设备

Info

Publication number: CN102582090A
Application number: CN2011104631432A
Authority: CN
Inventors: M·L·拉富里斯特; M·C·詹姆斯; R·L·克莱恩丁斯特; N·默迪; D·M·赖特
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2010-12-17
Filing date: 2011-12-16
Publication date: 2012-07-18
Also published as: US20140327169A1; US20120153528A1; EP2465670A1; US9193113B2

Abstract

本发明涉及用于碳纤维处理和沥青致密化的设备。沥青致密化设备可用于形成碳-碳复合材料。该设备可用于压缩碳纤维材料，以及之后，沥青致密化该碳纤维材料。碳纤维材料的压缩和沥青致密化可以在沥青致密化设备的相同模腔内进行。在一个实施例中，设备可包括定义构造成接收要被致密化的材料的模腔的模具。模腔被配置为从第一体积调整到小于第一体积的第二体积来压缩膜腔内的材料。示例设备还可以包括构造为在模腔中施加气体压力以迫使沥青进入模腔内的材料中而使材料致密化的气源，以及构造为至少在施加气体压力之前在模腔内制造真空压力的真空源。

Description

用于碳纤维处理和沥青致密化的设备

技术领域

本发明涉及沥青致密化以及，更特别的是，碳-碳复合材料的沥青致密化。

背景技术

碳纤维增强碳材料是复合材料，也称为碳-碳(C-C)材料，其一般包含在碳材料基体中增强的碳纤维。人们发现C-C复合材料被用在许多严酷的高温应用。例如，已知航天工业使用C-C复合材料来制造不同的飞行器结构部件。应用实例包含火箭喷嘴、头锥以及商用和军用飞行器的摩擦材料，例如，制动摩擦材料。

发明内容

概括而言，本发明涉及用于处理纤维材料和用沥青致密化所处理的纤维材料的设备和工艺。在一些实施例中，可以配置单独的一个设备来接收碳纤维材料、压缩碳纤维材料，并用沥青致密化压缩后的碳纤维材料。该设备可以进行不同的处理步骤而无需将材料从设备中取出。

根据本发明的一个实施例中，设备包含一个模具，该模具定义了构造成接收将被致密化的材料的模腔，将模腔配置成从第一体积调整到比第一体积小的第二体积以在模腔中压缩材料。该设备还包括气源，该气源构造成在模腔内施加气体压力从而迫使沥青进入模腔中的材料以使该材料致密化；和真空源，该真空源构造为至少在施加气体压力之前在模腔内制造真空压力。

根据本发明的另一个实施例中，披露了一种方法，包含将要被致密化的材料插入设备的模腔内，其中，该设备配置为采用真空压力渗透循环来使模腔内的材料致密化；通过将模腔从第一体积调整到比第一体积小的第二体积来压缩模腔中的材料；以及利用真空压力渗透循环对模腔内的压缩材料进行沥青致密化。

附图和下面的描述中详细地记载了一个或多个实施例。说明书、附图以及权利要求将使其他的特性、目的以及优点更加明确。

附图说明

图1是说明飞行器制动组件示例的示意图。

图2是说明构造成处理和沥青致密化碳纤维材料的示例设备的概念框图。

图3A和3B是说明可在图2示例设备中使用的碳纤维材料示例片段的概念图。

图4A和4B是说明示例表面的概念图，该示例表面可以结合起来形成用于与图2示例设备一起使用的示例模具的示例模腔。

图5是说明示例模腔的横断面视图的概念图。

图6A和6B是说明构造成处理和沥青致密化碳纤维材料的示例设备的示意图。

图7是在单独的一个设备内处理和沥青致密化材料的示例方法的流程图。

具体实施方式

概括而言，本发明涉及处理纤维材料和用沥青使已处理的纤维材料致密化的设备和工艺。在一些实施例中，可以配置单独的一个设备来接收碳基纤维材料(在此也被称为“碳纤维材料”)、压缩碳纤维材料以及用沥青致密化压缩后的碳纤维材料。可以如此配置该设备，使得碳纤维材料可以在该设备的同一个模腔内被压缩和用沥青致密化。

为了使用这样的示例设备来处理碳纤维材料，可以将材料插入模腔中。然后减小模腔的体积来压缩位于模腔内的碳纤维材料。通过减小模腔体积压缩碳材料，用于增加模腔内碳材料的纤维体积。换句话说，因为模腔整体体积减小，而模腔内纤维材料的量大致恒定，所以模腔内的纤维密度增加了。在实践中，可以减小模腔体积来提供模具内碳纤维材料的期望纤维体积。

压缩碳纤维材料后，设备可以配置为利用气体压力、真空压力或气体压力和真空压力的组合，在设备的模腔内用沥青来浸渍碳纤维材料。例如，材料在模腔内被压缩后，该设备可以配置为在一个或多个真空压力渗透(VPI)循环中，利用气体压力和真空压力的组合来浸渍模腔内的碳纤维材料。在一些实施例中，取决于使用的特定材料，在用沥青浸渍之前(例如，在在模腔中被压缩之前)，可以任选地在模腔内穿插碳纤维材料来使碳纤维材料不同的碳纤维缠绕在一起。

对于通过减小模腔体积压缩碳纤维材料，然后在相同的模腔内使之致密化的实施例，并不需要将碳纤维材料插入到预成形品制造设备中来被制造成预成形品(其可包含碳材料的压缩和/或碳化)，从第一预成形品设备中取出，然后插入单独的沥青致密化设备中并在其中致密化。相反，可以在相同的设备内对碳纤维材料进行压缩和致密化过程。因为这样的示例设备不需要将在第一个设备中制造成预成形品的碳纤维材料取出并插入第二个设备来致密化，该设备可以消除C-C复合材料部件制造过程中的一个或多个处理步骤。

在一些实施例中，根据本发明的设备可以处理在其他情况下可能无法很容易地制造成预成形品的碳纤维材料。例如，根据本发明的示例设备可以处理碳化纤维(已被碳化的碳和/或碳酸纤维)或沥青纤维(沥青材料构造的纤维)，这些纤维一般太脆不能制造成预成形品。在一些实施例中，因为示例设备可以处理碳化纤维，沥青纤维等，所以可不再需要一个单独的设备来进行如预成形品制造的处理步骤或者碳化可被省略。

在一些实施例中，为了制造C-C复合材料部件，碳基纤维材料可能要在不同的设备中经历多个处理步骤，从而排列、强化并致密化该碳纤维材料使之成为成形的部件。例如，可以利用一个或多个设备将碳纤维材料处理成碳预成形品。预成形品处理步骤可以增加碳纤维材料的机械强度，使碳纤维材料准备好在沥青致密化期间接收加压沥青。

在不同的实施例中，可通过将碳纤维材料排列为成品部件的形状，向材料中添加粘结剂，例如酚醛树脂，穿插材料和/或使材料碳化，来将碳纤维材料处理成预成形品。这些处理步骤可以分别在各自单独的设备上进行。例如，在使用氧化PAN纤维的案例中，在将其在一个或多个设备上排列为成品部件的形状并穿插后，碳材料可被转移到一个单独的碳化设备中。通过在惰性气氛下加热该材料从而从该材料中除去非碳元素(例如，H、N、O、S等)和其它杂质，碳化设备可以将聚丙烯腈(PAN)纤维碳化。用这种方式，可以将碳纤维材料制造成预成形品。

在一些实施例中，将碳纤维材料转变成预成形品后，可将预成形品转移到一个单独的设备中进行沥青致密化。例如可以将预成形品转移到一个设备中，该设备能够通过树脂传递成型(RTM)或真空压力渗透(VPI)利用沥青来浸渍预成形品。以这种方式，预成形品可进一步被处理成C-C复合材料。总体而言，这样的处理需要多个不同的设备来制造C-C复合材料。

根据本发明描述的一些实施例，可将设备配置为既为接收沥青而处理碳纤维材料又用沥青浸渍处理后的碳纤维材料。在一些实施例中，可以将碳纤维材料插入设备的模腔中并在模腔内压缩。在一些实施例中，插入模腔并在其中压缩的碳纤维材料可以包含在插入模腔前已经被碳化的纤维材料。这种材料的例子可以包含碳化PAN纤维、碳化沥青纤维、碳化人造丝纤维等。

在在模腔内压缩碳纤维材料后，设备可以配置为利用气体压力、真空压力或气体压力和真空压力的组合，在同一个模腔内用沥青来浸渍碳纤维材料。例如，该设备可以配置为使用一个或多个真空压力渗透(VPI)循环，利用气体压力和真空压力的组合来浸渍碳纤维材料。以这种方式，该设备可以通过在相同的设备内压缩碳材料并还用沥青浸渍该材料来处理碳纤维材料。

在一些实施例中，根据本发明的设备可用于处理和沥青致密化多种碳纤维材料来制造C-C复合材料部件。例如，如上所述，可将设备配置为处理和沥青致密化预碳化的碳纤维材料。预碳化的碳纤维材料可以是在插入设备进行压缩和沥青致密化之前经历了碳化以除去非碳元素的纤维材料。使用预碳化碳纤维材料可以省去碳化处理，例如，制造预成形品过程中进行的碳化步骤，否则碳化处理可能在制造C-C复合材料部件的过程中进行。

在一些实施例中，在根据本发明的示例设备上处理的碳纤维材料不需要单独的粘结剂材料将碳纤维材料不同的纤维粘在一起。相反，这种示例设备可以向不含单独的粘结剂材料的碳纤维材料中加入熔融沥青。沥青可以增加材料的密度(致密化材料)，并将材料不同的纤维结合在一起。以这种方式，沥青材料在模腔内既可用于致密化压缩材料又可将压缩材料结合在一起。

参考图2-6，将更详细地描述示例设备的特征和碳纤维材料。在下文中参考图7描述相关的示例技术。然而，首先将参考图1描述可含有一个或多个根据本发明实施例制造的C-C复合材料的示例飞行器制动组件。

图1是说明可以包含根据本发明的工艺形成的一个或多个C-C复合材料部件的示例组件的概念图。特别地，图1说明了一个飞行器制动组件10，其包含轮12，致动器组件14，制动堆16和轴18。轮12包含轮毂20、轮外伸凸缘22、胎圈座24A及24B、长平头螺栓26和长平头螺母28。致动器组件14包含致动器外壳30、致动器外壳螺栓32和柱塞(未标示)。制动堆16包含交替的转子盘36和定子38，它们彼此相对移动。转子盘36通过梁键40安装到轮12，具体是轮毂20上。定子盘通过花键44安装到轴18，具体是扭矩管42上。轮组件10可以支撑任何种类的私人、商业或军用飞行器。

轮组件10包含轮18，在图1的示例中由轮毂20和轮外伸凸缘22来定义。轮外伸凸缘22通过长平头螺栓26和长平头螺母28机械地固定到轮毂20上。轮12定义了胎圈座24A和24B。在装配过程中，可将一个可充气轮胎(未标示)放置在轮毂20上，在相对面上用轮外伸凸缘22固定。然后，可以拧紧螺栓26上的螺母28，在由胎圈座24A和24B为可充气轮胎提供气密密封的情况下，可充气轮胎就可以进行充气了。

轮组件10可以通过扭矩管42和轴18安装到飞行器上。在图1的示例中，扭矩管42由多个螺栓46固定到轴18上。扭矩管42支撑致动器组件14和定子38。轴18被安装到起落架支柱(未标示)来将轮组件10连接到飞行器上。

在飞行器的操作过程中，可能经常需要制动，如在着陆和滑行时。因此，轮组件10可以通过致动器组件14和制动堆16来支持制动。致动器组件14包含致动器外壳30和柱塞34。致动器组件14可包含不同类型的致动器，例如，电气机械致动器、液压致动器、气动致动器等等。在操作过程中，柱塞34可从致动器外壳30延伸远离来轴向地压缩制动堆16到压缩点48从而进行制动。

制动堆16包含交替的转子盘36和定子盘38。转子盘36由梁键40安装到轮毂20上共同旋转。定子盘38通过花键44安装到扭矩管42上共同旋转。在图1的示例中，制动堆16包含四个转子和五个定子。然而，制动堆16中还可以包含不同数量的转子和/或定子。此外，转子和定子的相对位置可以互换，例如，使得转子盘36可以安装到扭矩管42上而定子盘38安装到轮毂20上。

转子盘36和定子盘38能够提供相对的摩擦表面使飞行器制动。由于移动的飞行器的动能在制动堆16中被转化成热能，制动堆16中的温度可能会迅速升高，例如，超过200摄氏度。对于一些飞行器，紧急制动可能导致温度超过500摄氏度，在某些情况下，甚至超过800摄氏度。因此，形成制动堆16的转子盘36和定子盘38可包含能在上述温度下工作的稳健的热稳定材料。在一个实施例中，由金属合金制成转子盘36和定子盘38，例如，基于Ni、Co、Fe等超级合金。

在另一个实施例中，由根据本发明一种或多种示例技术制造的C-C复合材料制成转子盘36和/或定子盘38。特别是，可由利用沥青致密化设备制造的碳基纤维材料制成至少一个转子盘36和/或至少一个定子盘38，该设备配置为在模腔内接收碳纤维材料，在模腔内压缩碳纤维材料，并在模腔内用沥青浸渍处理后的碳纤维材料使材料致密化。C-C复合材料部件可以由该压缩和致密化的碳纤维材料制成，并且该部件定义转子盘或定子盘的大体形状。

不依赖选择的具体材料，转子盘36和定子盘38可以由相同的材料或不同的材料制成。例如，轮组件10可包含金属转子盘36和C-C复合材料定子盘38，反之亦然。此外，转子盘36的每片盘和/或定子盘38的每片盘可以用相同的材料制成，或者转子盘36和/或定子盘38的至少一片盘可由与转子盘36和/或定子盘38的至少另一片盘不同的材料制成。

如前所述，转子盘36和定子盘38可分别通过梁键40和花键44安装到轮组件10上。梁键42可以沿轮毂20内侧圆周间隔。梁键可成形为带有相对两端(例如，长方形的相对侧)，并且可以将一端机械地固定在轮毂20内部而相反的一端机械地固定到轮毂20的外部。梁键42与轮毂20可以是一体成型或者可以是分离的并机械地固定到轮毂20上，例如，在转子盘36和轮毂20之间提供热障。为此，在不同的实施例中，轮组件10可以含有一个隔热板(未示出)，其径向延伸出来并在外部围绕制动堆16，例如，来限制制动堆16和轮12之间的热转移。

花键44可以沿扭矩管42外部圆周间隔。花键44与扭矩管42可以是一体成型或者可以是分离的并机械地固定到扭矩管42上。在一些实施例中，花键44可以在扭矩管42中定义侧凹槽。因此，定子盘38可包含多个径向向内设置的凹口，这些凹口构造为被插入花键内。

由于梁键40和花键44可分别与转子盘36和定子盘38发生热接触，所以梁键40和/或花键44可以用热稳定的材料制成，包括，例如，上文参照转子盘36和定子盘38讨论的那些材料。因此，在一些实施例中，可以利用本发明的示例技术制成用于轮组件10的梁键和/或花键。例如，将沥青致密化设备，如设备50(图2)配置为接收碳纤维材料，压缩和/或穿插碳纤维材料，并用沥青在相同的模腔内浸渍压缩后和/或穿插后碳纤维材料，该设备可用于制造具有通常梁键40和/或花键44的大体形状的C-C复合材料部件。

图2是说明示例设备50的概念框图。设备50被配置为在模具54的模腔55中处理材料52，并沥青致密化处理后的材料而无需将材料52从模具54的模腔55中取出。特别是，设备50构造成通过如下方式处理材料52：减小模腔55的体积(例如，调整模腔55的尺寸)以在模腔55内压缩材料52(在图2中表示为压缩模块58)。如图所示，进一步配置设备50以通过真空压力渗透(VPI)过程(在图2中表示为真空压力渗透(VPI)模块60)来致密化材料52。例如，在模具54的模腔55内压缩材料52后，利用VPI模块60，设备50可以进行一个或多个VPI循环从而用沥青致密化材料52。可以任选地将设备50配置为通过穿插或将模腔55内的材料52的一部分缠在一起的其他方式(图2中表示为穿插模块62)来处理材料。

一般情况下，图2中压缩模块58、VPI模块60和穿插模块62代表设备50不同的结构特征和部件，这些特征和部件使设备50能执行每一个相应的处理功能。用压缩模块58、VPI模块60和穿插模块62代表的结构特征和部件的实例包括本文中参照每个相应的处理来描述的那些。

设备50包含定义模腔55的模具54，并且模腔55容纳将被设备50压缩和致密化的材料52。在设备50的操作过程中，通过将模腔55的体积从第一体积调整到小于第一体积的第二体积，压缩模块58可以对模腔55内的至少部分材料52进行压缩。在在模腔55内压缩材料52后，可以对模具54的模腔55内的沥青56加压使之填充到材料52的孔中。设备50可以利用VPI模块60对模腔55中的沥青加压。以这种方式，设备50可用于压缩材料52，利用沥青浸渍材料52来增加处理后的材料的密度而形成C-C复合材料部件。任选地，在压缩材料52前，穿插模块62可以通过在设备50的操作过程中将一个或多个针可收缩地延伸到至少部分模腔55内以使材料52缠在一起来穿插材料52。

模具54可能含有不同的端口，用于接收沥青56(例如，来自向模腔55供应沥青的外部设备)，在模腔55内的致密化过程中排出由沥青56从材料52的孔内挤出的空气，接收加压气体，排空模腔55内气体形成真空压力等。在设备50的操作过程中，模具54的模腔55可以通过提供受限的腔体以约束材料52来保持加压沥青56。在一些实施例中，模具54可以是与设备50分离的并可插入到设备50中。在其他的实施例中，模具54可以是设备50固有的一部分。

虽然图2所示的模具54定义了单一的模腔55来接收材料52，然而在其他的实施例中，模具54可以定义多个模腔均配置为接收碳材料。在一些实施例中，模腔55具有与C-C复合材料成品部件的形状相应的形状。例如，模腔55的形状可大致对应于环形转子盘或环形定子盘的形状(如图1中的转子盘36或定子盘28)。在模腔55内的处理过程中(例如，在在模腔内被压缩后)，材料52可呈现出模腔55的形状，因此材料52大致对应于成品部件。在一些实施例中，可以将材料52任选地机加工成所需的形状。

如下面将参考图4和5更详细地描述地，模具54可以包含一个或多个可活动的特征，使得在压缩模块58的操作过程中，例如，通过调整模腔55的尺寸可以调整模腔55的体积。在一个实施例中，可以用模具54的顶部和底部表面对模具54的模腔55进行部分限定。压缩模块58可致动模具54的顶部表面和/或模具54的底部表面向另一个表面相对移动来减小模腔55的体积。当压缩模块58致动模具54的顶部表面和/或模具54的底部表面时，取决于材料52的体积，材料52可以在模腔55内被压缩。以这种方式，可以利用设备50将材料52在模腔55内压缩得到所需的纤维体积。

设备50能够处理各种不同的材料。一般而言，利用设备50制造的C-C复合材料部件包含在碳基体中增强的碳材料。因此，材料52可以包含但不仅限于，编织和非编织的碳基纤维材料。在一些实施例中，碳基纤维材料是连续的粗纱或连续的TOW材料。在一些实施例中，碳基纤维材料可以包含聚丙烯腈(PAN)纤维。在其他的实施例中，碳基纤维材料可以包含沥青纤维，其中碳纤维材料由沥青材料制成。也可使用其他类型的纤维，例如，碳化人造丝纤维和纤维素纤维。

插入到设备50内之前，材料52可能还要经过处理，以为形成C-C复合材料部件做准备。例如，在插入设备50内之前，可以将材料52碳化以除去碳纤维材料中的非碳元素(例如，H、N、O、S等)和其他杂质。这种材料可被称为预碳化的材料。可利用的预碳化材料包含碳化PAN纤维、碳化沥青纤维和碳化人造丝纤维。

在材料52预碳化的情况下，在被放入模腔55之前，材料52可以部分碳化或完全碳化。在一些实施例中，完全碳化的材料可表现出约1.74克每立方厘米到约1.78克每立方厘米之间的密度，但是其他的值也是可以预期的。通过将完全碳化的材料插入设备50的模腔55中，在C-C复合材料部件的制造过程中可以省略单独的碳化处理步骤，例如，在预成形品制造过程中进行的碳化步骤。

在其他实施例中，如参考图3A和3B进一步描述地，材料52最初可能包含在模腔55内彼此层叠的多个片段。例如，可能由针织、编织和/或非编织材料形成材料52的每个片段。在一些实施例中，可将材料的一部分穿插在一起来定义片段。在其他的实施例中，可以在材料的一部分中加入粘结剂来定义片段。例如，将如聚醋酸乙烯酯或淀粉的粘合剂加入材料的一部分中。

在一些实施例中，与不是由多个层叠的片段制造的C-C复合材料相比，利用设备50用层叠片段材料52制造的C-C复合材料可表现出增大的机械强度。在一些实施例中，使用多层片段最初形成材料52，能够使材料52在设备50上的沥青致密化循环中承受住加压沥青的压力而不被剪切开。

设备50可用于增加模腔55内材料52的密度。与成品C-C复合材料部件相比，当最初插入模具54的模腔55时，材料52可表现出相对较低的纤维密度(例如，纤维质量/纤维体积)。例如，在插入模腔55被设备50处理之前，材料52可能表现出约0.25克每立方厘米(g/cc)到约1.75g/cc之间的纤维密度。另一方面，成品C-C复合材料部件(例如，已通过压缩模块58压缩并经VPI模块60用沥青致密化的材料)一般表现出更高的密度。在一些实施例中，成品C-C复合材料部件可表现出大于1.5克每立方厘米的密度，例如，大于1.75克每立方厘米的密度。在随后的操作中C-C复合材料部件的密度可能会影响部件的性能，例如，部件承受剪切力和热循环的能力。密度的增加可能至少部分是由于最初插入设备50的模腔55后，对材料52进行了压缩和沥青致密化。

在一些实施例中，材料52插入模腔后，压缩模块58可以缩小模腔的尺寸体积(例如，通过改变模腔55的尺寸)来压缩材料52，例如，从最初放入模腔55时从材料52的原始密度开始增加材料52的密度。在一些实施例中，压缩模块58可包含液压压力机或其他压力机(未在图2中标示)来对模具54的模腔55内的材料52进行压缩，增加材料52的密度。在操作过程中，这种压力机会对模具54的模腔55内的材料52施加机械力以减小材料52的体积。例如，压缩模块58的压力机可以通过以减小模腔55的体积的方式将模具54两个独立的表面致动或“挤压”在一起来向材料52施加机械力。通过降低模腔55的体积，压缩模块58施加的机械力可以增加材料52的堆积密度。由于模腔55的体积减小，材料52占用的空间体积增大，从而模腔内材料52的纤维体积密度增加了。在不同的实施例中，压缩模块58的压力机可以包含气动缸、液压缸或者其他的机械致动力，例如滚珠螺杆装置，用于在模腔55内压缩材料52。

压缩模块58可以将材料52压缩到任何合适的密度。在一些实施例中，压缩模块58可将材料52紧实到约15体积百分比材料和约50体积百分比材料之间的，例如，约17体积百分比材料和约30体积百分比材料之间的体积密度。计算纤维体积密度可以用材料52的纤维占用的空间量除以材料52占用的空间总量(包含材料52不同纤维之间的空气)。

利用压缩模块58向材料52施加的力的量可以变化，例如，基于所使用的材料52的类型和所制造C-C复合材料部件的类型。话虽如此，在一些实施例中，当用压缩模块58在模腔55内压缩材料52时，可利用压缩模块58向材料52施加至少约1.9磅每平方英寸(psi)的力。其他值也都是可能和可行的。

如上所述，除了或者代替利用压缩模块58处理材料52，可用穿插模块62穿插模具54的模腔55内的材料52来缠绕全部或部分的材料52。穿插模块62可能包含一个或多个针(例如，两个、三个、四个或更多)用于穿插材料52。在操作过程中，穿插模块62的针可以可收缩地延伸到模具54的至少部分模腔55内并穿过材料52。在一些实施例中，穿插模块62的一个或多个针可具有钩状的远端，其延伸到至少部分模腔55内并穿过材料52。一旦被抽回，针62可以在向下行程上钩和/或缠绕材料52不同的纤维。

在在模腔55内沥青致密化材料52前，穿插可有助于增加模腔55内的材料52的机械强度。例如，在材料52包含多个随机取向或相互不连接的不同纤维的情况下，在沥青致密化时材料52不同的纤维可能会彼此分开。这可能会减小所得C-C复合材料部件的强度。然而，通过用穿插62在模腔55内穿插材料52，材料52可缠在一起成在随后的沥青致密化期间阻止分离的结构。在一些实施例中，碳材料的这种穿插可能会增加沿z方向定向纤维数量(例如，图5所标示)。

虽然图2示例中设备50包含穿插模块62，但是设备50也可以通过压缩模块58压缩模腔55内的材料52并且随后将模腔55内的压缩材料沥青致密化而无需穿插材料52。例如，在材料52可能包含太脆或其他原因不适于穿插的纤维的情况下，设备50仍然可以压缩碳纤维材料并沥青致密化模腔55内的该材料。因此，在一些实施例中，设备50可以不包含穿插模块62。

在通过穿插模块62在设备50中穿插材料52的实施例中，设备50可以在用压缩模块58压缩材料52之前或之后穿插材料52。在一些实施例中，由于材料密度较低，在用压缩模块58压缩材料52前穿插材料52可能是有用的。在穿插时，相比更致密的材料52，例如，已被压缩模块58在模腔55内压缩过的材料，密度较小的材料52可能更容易被针62穿透。

无论在沥青致密化之前在模腔55中的材料52上执行的具体处理步骤如何，设备50都可以通过，例如利用VPI模块60，用沥青56浸渍材料52对材料进行沥青致密化。沥青56可以是富含碳氢化合物的材料，其可从例如煤、焦油和石油中提取。沥青56也可以是合成的。在不同的实施例中，沥青56可能来自单一来源(如煤)，或可能是来自不同来源的不同沥青的组合物。在一些实施例中，沥青56可能是中间相沥青。在其他实施例中，沥青56可能是各向同性沥青。中间相和各向同性沥青的组合物也是可行的。

沥青56可以具有高于通常环境温度的熔融温度。因此，在致密化材料52前，可将沥青56加热至可流动的状态。如在下文参照图6A和6B详细描述地，在一些实施例中，可将固态沥青56加入设备50中，然后在致密化期间在设备50中加热到其熔融温度以上。在其他的实施例中，可将沥青56在设备50以外加热至融化温度以上，并将熔融沥青传送到设备50的模腔55中。在一些实施例中，可将沥青56加热到约200摄氏度到约450摄氏度之间，如约275摄氏度到约330摄氏度之间的温度，熔融成可流动的状态。

通过VPI模块58，利用至少一个VPI循环，图2示例中的设备50可以使用沥青56致密化模腔55内的材料52。在VPI循环中，可以将模腔55降低至真空压力来排空材料52的孔。在一些实施例中，可以制造约1托到约100托之间，例如约10托到约20托之间的真空压力。当材料52的孔准备好接收沥青56后，可以用沥青56充满模腔55。在向设备50中提供部分固态沥青的实施例中，如参考图6A和6B进行描述地，通过将沥青56加热至沥青56的熔融温度以上来实现充满的过程。在将沥青56以可流动的状态传送至设备50的实施例中，可以通过例如，通过加压沥青56罐，机械传送沥青56、或者使用模腔55的真空压力将沥青56抽入模腔55来实现充满的过程。充满模腔55后，可以用气体如惰性氮气对沥青56加压。在一些实施例中，可以使用约10磅每平方英寸(psi)到约1000psi之间，例如，约300psi到约700psi之间的气体压力。加压可有助于使沥青56通过材料52不同的孔。按照这种方式，可利用设备50通过一个或多个VPI循环来致密化材料。

在一些实施例中，如上文简述，在被压缩和/或穿插后但在致密化前，材料52可表现出约0.25克每立方厘米(g/cc)到约1.0g/cc之间的密度。在一些实施例中，经过VPI(60)循环，材料52可表现出约1.35克每立方厘米到约1.5克每立方厘米之间的密度。由VPI模块60执行的VPI循环可被定义为一个单一的致密化过程，在此期间用沥青在一组定义的条件(例如，气体流速、温度、时间等)下渗透预成形品52。

设备50可以通过VPI模块60用一个VPI循环或多个VPI循环来致密化材料52，而无需将材料52从模腔55中取出。例如，设备50可以通过VPI模块60来致密化材料52，直到材料表现出适合要制造的C-C复合材料部件的密度。在一些实施例中，设备50可以致密化模腔55内的材料52，直到材料表现出约1.6克每立方厘米到约1.9克每立方厘米之间的密度。

虽然图2示例中的设备50包含VPI模块60，但是在更多的实施例中，设备50可配置为在VPI模块60基础上或代替之使用真空压力渗透以外的致密化技术来致密化材料52。在一个实施例中，设备50可利用一个或多个树脂传递成型(RTM)循环来致密化模腔55内的材料52。一般情况下，树脂传递成型循环可包含致动柱塞(例如，液压活塞)通过充满沥青56的腔从而将加压沥青注入模腔55并使其通过材料52不同的孔。在另一个实施例中，设备50可利用一个或多个真空辅助树脂传递成型(VRTM)循环来致密化材料52。真空辅助树脂传递成型循环可认为是RTM循环的一种形式，其中至少在RTM循环开始前，在模腔55内制造真空压力。于2010年11月2日提交，共同受让的申请号为12/938,170和12/938,201，题目均为“沥青致密化设备”的美国专利申请中，描述了构造成根据多种不同沥青致密化技术可选择的一种技术而沥青致密化材料的示例设备。这两份申请的全部内容将纳入本文作为参考。

虽然设备50可以被配置为在使用VPI模块60的VPI循环的基础上或代替之利用不同的沥青致密化技术来沥青致密化材料52，但是与其他类型的致密化循环相比，VPI循环可能对材料52更加温和。不受任何特定理论的约束，我们认为当沥青56开始渗透材料52时会在整个材料52上造成压力梯度。压力梯度导致材料52内产生内部应力。如果材料52不足够坚固而不能承受内部应力，部分材料52可能会被剪切开或者材料52的不同层之间可能会分层，以致破坏材料52的形状和机械强度。例如根据本发明的一些实施例，在材料52不预先处理成预成形品时，这种影响可能会加剧。然而，通过在VPI循环开始时，在模腔55内制造真空压力，就可以减少或消除抑制沥青56自由流进入材料52不同的孔的背压。此外，在VPI循环的加压部分中施加在材料52上的压力可能低于其他类型的致密化技术在材料上52施加的压力，例如，RTM循环。在这一方面，VPI循环可有助于对不预先处理成预成形品的材料进行沥青致密化。

设备50可用于处理表现出不同大小和形状的材料。例如，基于模腔55的大小和形状以及要制造的C-C复合材料部件的大小和形状，材料的大小和形状可能会有所不同。然而，在一些实施例中，在被插入设备50的模具54前，材料52可被处理并定义成大致相应于成品部件的形状。在一些另外的实施例中，在被插入设备50的模具54前，材料52可被处理成一个或多个分开的片段。将材料52处理成分开的片段可增加材料52的机械强度，并使得材料52易于放入设备50中。

图3A和3B是可插入设备50进行处理并随后进行沥青致密化的材料52的示例片段的示意图。图3A说明了由材料52制造的碳材料的单一片段81示例(也称为“单一片段81”)，其被构造为(例如，大小和形状被设定为)插入模具54的模腔55内。图3B说明了由材料52制造的多个材料片段80A-80E(统称为“片段80”)，这些片段共同定义了大概对应于成品C-C复合材料部件的形状，在图3B的示例中是一个制动转子盘或制动定子盘。每个片段80(图3B)可与单一片段81(图3A)相同或大致相似。

可使用任何合适的技术制作片段80。在一个实施例中，将部分材料(例如，针织、编织或非编织材料)预切或以其他方式预处理成所需的形状以用于插入模具54的腔55中。由非编织材料形成的单一片段的例子可以包含穿插的纤维、带粘结剂如聚醋酸乙烯酯(PVA)或淀粉的材料、粘合剂纤维(如聚丙烯，聚乙烯)、由空气缠在一起的材料，以及用水射流缠在一起的材料。

尽管本发明并不限制片段80具有任何特定的尺寸，但在一些实施例中，当在模腔55内被组装时，每个片段80的大小和形状可被设置为使其大致对应于成品C-C复合材料部件(或其部分)的大小和形状。在一个实施例中，成品部件可能是定义了大致环形形状的制动转子盘或制动定子盘(例如，图1飞行器刹车组件10中的转子盘36或定子盘38)。在这样的实施例中，当组装片段80时，可以使其大小和形状大致对应于转子盘36或定子盘38的大小和形状。在一些实施例中，图3B示例中的片段80结合在一起，以定义具有内径82和外径84的环形形状。在一些实施例中，内径82的范围可能在约6英寸到约13英寸之间，而外径84的范围可能在约9英寸到约25英寸之间。然而，其他数值也是可能的且可行的。

片段81段可以定义任何合适的形状。在片段81与其他片段使用在一起定义环形形状的实施例中，片段80可以定义环形的一个较小的部分。例如，片段81可以定义为具有弓状底边的大致的梯形。在另外的实施例中，片段81与其他片段结合使用，在被放入模具54的模腔55内时，可以设计使每一个片段与其他片段交叠放置。在模腔55内交叠放置材料52的不同片段能够制造一种互锁结构，在沥青致密化时阻止分离。

图3A示例中的片段80定义了图3A中标明的Z向上的厚度。设备50能够压缩和/或穿插并沥青致密化具有任何合适厚度的材料52的片段80。可以利用一层或多层片段80形成材料52的厚度。在一些实施例中，材料52的整体厚度适合于形成C-C复合材料部件。在这些实施例中，材料52的整体厚度介于约0.25英寸到约2英寸之间，但是其他值也是可能的。在多层交叠片段形成材料52的实施例中，单一片段的厚度可以介于约0.05英寸到约0.20英寸之间。虽然前文的描述包含材料52的示例形状和尺寸，应当意识到其他形状和尺寸也是可以预期的，本发明不局限于使用具有任何特定大小或定义为任何特定形状的材料。

如上文参考图2所述，模具54配置为在模腔55内接收材料52。例如，基于由设备50形成的C-C复合材料部件的形状和大小，模腔55的特定形状和大小可能会有所不同。图4和5说明了根据本发明的模具54的一个实施例的不同示例视图。图4A和4B是分别说明定义模腔55的第一部分90和第二部分92的概念图。图5是说明示例模腔55的概念图，该模腔至少部分是分别由图4A和4B中的第一部分90和第二部分92定义的。

在图4和5的示例中，由第一部分90和第二部分92大致相对的表面定义模腔55。第一部分90和第二部分92在分型线94处可以分开，例如，打开模具54以添加或取出材料52。第一部分90定义顶面96，第二部分92定义与顶面96相对的底面98。一般情况下，模腔55可配置为接收材料52。例如，在操作中，材料52可放入模腔55的底面98上，然后将第一部分90放置在材料52上。第一部分90和第二部分92可以彼此相对移动(例如，通过压缩模块58的压力机(图2))来压缩模腔55内的材料52。当在模具54的模腔55内压缩材料52时，模具54可以为沥青致密化材料52定义一个受限的区域。

在设备50的操作过程中，模腔55内的压力可以从真空压力变化至高于环境压力，将沥青56添加到模腔55中，在致密化期间排出材料52孔中的空气。模具54可包含通向腔55的不同的流体通道端口，以提供用于处理材料52的流体连通。在图5的示例中，模具54包含沥青端口102、压力端口104和排气端口106。沥青端口102可与沥青源流体连通，在沥青致密化循环期间向模腔55供给熔融沥青56。压力端口104可与气源流体连通，在VPI循环中调整模腔55内的压力。排气端口106可与真空源流体连通，在VPI循环中在55模腔内制造真空压力，或与排空管线连接，从而在熔融沥青渗透材料52的孔时排出模腔55内材料52中的空气。

如上所述，设备50能够通过穿插模块62穿插模腔54内的材料52。在穿插操作过程中，针能可收缩地延伸到模具54的至少部分模腔55内，并通过至少部分材料52，从而缠绕材料52的不同纤维。在这些实施例中，为适应穿插过程，模具54可包含针孔108。针孔108定义为能使针可收缩地延伸进模腔55内的开口。尽管在图4和5的示例中针孔108延伸穿过模具54的第二部分92，但针孔108也可延伸到模具54的第一部分90、模具54的第二部分92或者模具54的第一部分90和第二部分92。模具54可包含一个针孔108或多个(例如，两个、三个、四个或更多)针孔108。在一些实施例中，模具54每平方英寸可包含约5个针孔到约10个针孔。

如上所述，在设备50的操作过程中，利用压缩模块58(图2)可以在模具54的模腔55内压缩材料52。在一些实施例中，一个压力机可以在Z方向上相对于第二部分92致动第一部分90(如图5所示)，以减小模腔55的体积并在模腔55内压缩材料52。在这样的操作过程中，顶面96和底面98可能直接或间接接触材料52来压缩模具54内的材料52。

在一些实施例中，第一部分90可定义凹部110，其突进顶面96的平面中；并且第二部分92可定义伸出底面98平面的匹配的突起99。凹部110的大小和形状设置为使得当向着第二部分92驱动模具54的第一部分90以减小模腔55的体积和/或密封模腔55时，凹部110与突起99相互配合。在其他的实施例中，第一部分90定义大致平面的顶面96，在模具54的第一部分90相对于模具54的第二部分92移动来密封模腔55时与第二部分92的突起99相互配合。一般情况下，虽然图5示例中的模具54包含凹部110和突起99，应当意识到本发明并不局限于这一方面，而且在其他的实施例中，可以用除本文中描述以外的其他模具构造来实施本发明的技术。

由图5可见，在一些实施例中，通过减小模腔55内材料52在Z方向上的厚度112，可以压缩模腔55内的材料52。在压缩过程中，由于空气从材料52不同的纤维之间除去，因此增加了模腔55内材料52的纤维体积密度。例如，压缩后，材料52可表现出约15％到约50％之间，例如约24％到约28％之间的纤维体积密度，纤维体积密度可以用材料52的纤维占用的空间量除以材料52占用的总的空间量(包含材料52不同纤维之间的空气)来计算。然而，应该意识到，上述数值仅仅是示例，并且除了上文所说明的以外，根据本发明的设备都可以压缩材料52使之密实为其他密度。

图6A和6B是说明示例沥青致密化设备150的概念图。沥青致密化设备150配置为在模腔202内接收碳纤维材料、压缩碳纤维材料并用沥青致密化压缩后的碳纤维材料。虽然设备150不包含相当于穿插模块62(图2)的特征，但是设备150在其他方面是设备50(图2)的示例，并说明了设备50内可包含的各个部件。图6A是说明模腔202在开放位置的设备150的概念图。当在开放位置时，可将材料52插入模腔202或在被压缩和/或致密化后将材料52从模腔202中取出。图6B是说明模腔202在封闭位置的设备150的概念图。当在封闭位置时，例如，材料52在模腔202内被压缩后，可以用沥青将模腔202内的材料52致密化。

如图所示，设备150包含压板152A和152B、承梁154、夹板156A和156B、垫板158、绝热板160A和160B、承梁顶出板162、推杆164、真空线控制缸166、真空线控制杆168、真空端口170、气体进料控制缸172、气体控制杆174、气体端口176、沥青室178、沥青进料缸180和沥青进料柱塞181。模具200放置在绝热板160A和160B之间。模具200定义了容纳材料52的模腔202。

一般情况下，压板152A和152B相对移动，在模具200的模腔202中压缩材料52。在操作过程中，压板152A和152B从相反方向施加压力将材料52限制在模腔202内。压板152A和152B中的一个或两个可以与机械致动特征(未显示)连接，例如，气动缸、液压缸、滚珠螺杆装置等。因此，图6A和6B所示，压板152A和152B中的一个或两个可以在Z方向移动，使得模具200在用模具分型密封件194密封的模具分型线处打开，例如，向模具200的模腔202插入或从中取出材料52。压板152A和152B可与设备150的其他部件整体成型(即永久连接)，或如图6A和6B所示，压板152A和152B可以是独立的特征。换句话说，压板152A和152B是专用的或是标准压力机的一部分，设备150的其他部件可添加到该标准压力机。

压板152A和152B分别连接到承梁154和夹板156B上。接着，承梁154连接到夹板156A上，而夹板156B连接到承梁顶出板162上。一般情况下，承梁154和承梁顶出板162所起的作用是定义接收和容纳设备150各种特征的空腔。例如，承梁154定义沥青室178，承梁顶出板162定义接收推杆164的空腔。承梁154和承梁顶出板162可以在设备150的操作过程中保护各个特征不受到压板152A和152B的压力的影响。

夹板156A放置在承梁154和垫板158中间。相比而言，夹板156B放置在承梁顶出板162和绝热板160B的中间。夹板156A和156B所起的作用是夹住设备150不同的特征以防止其变得不对齐。

设备150包含放置在夹板158A和绝热板160A中间的垫板158。垫板158定义接收和容纳设备150各个特征的空腔。例如，垫板110定义沥青室178，以及接收真空线控制缸166、真空线控制杆168、气体进料控制缸172和气体控制杆174的空腔。垫板158可以在设备150的操作过程中保护不同特征不受到压板152A和152B的压力的影响。

模具200放置在绝热板160A和160B中间。绝热板160A和160B可以限制从模具200的热转移，例如，有助于模具200在沥青致密化期间保留热量。因此，在一些实施例中，绝热板160A和160B可由低热导材料制成。为了进一步限制从模具200的热转移，如图6A和6B所示，在一些实施例中，可以为模具200和设备150的其他特征之间延伸的连接线提供绝热密封184。绝热密封184可以阻止热量通过绝热板160A和160B的开口处转移。

与模具54(图2)类似，模具200定义一个或多个模腔202以接收材料52，利用设备150将其压缩和沥青致密化。模具200可以由软模具材料，例如，聚酯或环氧聚合物制成。另外，模具200也可以由硬模具材料，例如，铸造或机加工的铝、镍、钢、钛等制成。模具200定义不同的通道来为模腔200传送沥青、排出气体、抽真空、接收加压气体等。

在一个或多个沥青致密化循环中，至少在部分致密化循环期间可以在模腔202中制造真空压力。因此，为了在模腔202中制造真空压力，设备150包含可连接真空源的真空硬件。在图6A和6B的示例中，真空硬件由真空线控制缸166、真空线控制杆168和真空端口170提供。真空端口170提供与真空源186的连接点，其可操作以在包含材料52的模具200，具体是模腔202，内制造真空。真空线控制缸166连接到真空线控制杆168上。在操作中，如图6A和6B所示，在Z方向可控地致动真空线控制杆168，以选择性地使真空源186与模腔202进行压力连通，从而控制在模腔202内制造的真空压力。在不同的实施例中，真空线控制缸166可以是单作用缸，其采用可压缩流体在一个方向上致动真空线控制杆168以及使用弹簧使真空线控制杆168返回原来的位置，或者双作用缸，其采用可压缩流体延伸和返回真空线控制杆168。在根据本发明的不同组件中，可以使用不同的真空控制硬件，本发明并不局限于这一方面。

例如，在VPI循环中，经常可以对模腔202内的沥青施加加压气体来帮助致密化材料52。为控制加压气体，设备150可包含连接到加压气源的气体控制硬件。在图6A的示例中，例如，设备150包含气体进料控制缸172、气体控制杆174和气体端口176。气体端口176将提供加压气体的连接气源188与包含材料52的模腔202连接。在不同的实施例中，气源188可以是加压惰性气源，包含但不限于氮、氦、氩、二氧化碳等。气体控制杆174连接气体进料控制缸172。在操作中，如图6A和6B所示，在Z方向可控地致动气体控制杆174，以选择性地使气源188与模腔202流体连通，从而控制在模腔202内制造的气体压力。在不同的实施例中，如上文参考真空线控制缸166所述，气体进料控制缸172可以是单作用缸或者双作用缸。此外，类似于参考设备150的真空控制硬件所述，在根据本发明的不同组件中，可以使用不同特征来控制加压气体向模腔202的流动，本发明并不局限于这一方面。

在图6A和6B的示例中，熔融沥青从沥青室178通过沥青端口204提供给模腔202。沥青室178热连接到加热源190。在设备150的操作过程中，部分固态沥青物质可插入沥青室178。之后加热源190可将部分固态沥青在沥青室178中熔融成可流动的状态。在一些实施例中，加热源190可包含通过热连接到沥青室178的管子传递的热转移剂(例如，类似热交换器)。热转移剂可在设备150中被加热或被传送到设备150中(例如，从外部的锅炉、热交换器等)。在其他的实施例中，加热源190可以是燃烧炉、电阻加热器、射频(例如，微波)加热器或类似设备。在另外的其他的实施例中，加热源190可以是对流加热源、电磁感应加热源或红外线加热源。

为了控制向模腔202的沥青传送，设备150还可以包含沥青流量控制特征。例如，设备150包含沥青进料缸180和沥青进料柱塞181。沥青进料缸180与沥青进料柱塞181机械地连接。在操作中，如图6A和6B所示，沥青进料缸180在Z方向可控地驱动沥青进料柱塞181进入沥青室178。以这种方式，沥青进料柱塞181可以迫使沥青进料室178中的熔融沥青通过沥青端口204进入模腔202中。在不同的实施例中，沥青进料缸180可以是气动缸、液压缸、滚珠螺杆装置等。此外，沥青进料柱塞181可以是活塞、柱塞或另外的设备，以用于对沥青室178内的熔融沥青施加机械压缩力。

在设备150上处理和沥青致密化材料52后，可以释放压板152A和152B中的压力以便打开模具200。在一些实施例中，在打开模具提取致密化的材料之前，可以将模具200从设备150中取出。在其他的实施例中，可以打开模具200的一部分而模具200仍留在设备150中。对于图6A和6B中的示例而言，可以在设备150中将模具200沿被分型密封件194密封的分型线打开。在这些实施例中，为了便于取出致密化的材料，设备150可包含推杆164。如图6A和6B所示，在Z方向可控地驱动推杆164以帮助将致密化的材料从模具200中顶出。

如上参考图2中的设备50所述，在操作中，设备200可用于在模腔202中压缩材料52并在模具200的同一个模腔202中利用VPI循环致密化压缩后的材料。例如，在操作过程中，可将材料52插入模具200的模腔202中，并将固态沥青插入沥青室178中。压板152A和152B可以彼此相对移动，压缩模腔202中的材料52并密封模具200进行沥青致密化。加热源190可将沥青室178中的固态沥青熔融成可流动的状态。在VPI循环中，通过控制真空线控制缸166来驱动真空线控制杆168可以使模腔202内的压力降低至真空。驱动真空线控制杆168时，可将模腔202设置成通过真空口170与真空源186压力连通。然后，沥青进料缸180可将沥青进料柱塞181推进沥青室178，迫使熔融沥青通过沥青端口204进入模腔202。模腔202用沥青充满后，真空线控制缸166可控制真空线控制杆168关闭真空端口170。之后，气体进料控制缸172可控制气体控制杆174打开气体端口176，使容纳材料52的模腔202与加压气源188连通。以这种方式，材料52可以在模腔202中被压缩，并且之后在设备150的同一个模腔202中利用VPI循环被沥青致密化。

如上所述，设备150可包含用于处理碳基纤维材料并沥青致密化处理后的材料的特征。如上所示，设备150可以是与标准压板152A和152B一起使用而配置的模块组件。也就是说，设备150可包含构造成用于组装和插入压板之间来形成设备150的不同模块部件。然而，在不同的实施例中，设备150可包含不同的模块部件或非模块部件，以补充或代替参考图6A和6B所说明和描述的部件。因此，虽然设备150包含各种示例部件，但不同的配置也是可行的。

作为在根据本发明的设备中可包含的附加或不同特征的实施例，图6A和6B说明了设备150可包含的示例热管理特征，用于控制模具200的温度，特别是控制模腔202内的材料52和/或沥青的温度。由于沥青在常温下一般是固态，所以包含热管理特征的设备可以帮助熔化沥青或使沥青保持可流动的状态，直到沥青适当地渗透到材料52的各个孔中。

在图6A和6B的示例中，设备150包含加热管192和冷却管194分别用于加热和冷却模具200。加热管192可至少延伸通过一部分模具200内与模具200发生热连通。加热管192可定义构造成与热交换剂进行流体连通的导管。热交换剂可包含但不限于蒸汽、机油、热传递液等。加热管192可铸造或机加工为模具200，或者可插入模具200定义的孔中。加热管192可由热导材料形成，包含但不限于铜、铝和其合金。在操作过程中，热转移剂可在设备150中加热或在设备150的外部(例如，在炉子或换热器中)加热并通过加热管192传送。热转移剂的热量可通过加热管192、模具200和材料52传导。按照这种方式，加热管192可传导地加热模具200，包括模腔202内的材料52和沥青。在不同的实施例中，在设备150的沥青致密化循环期间，可将热转移剂加热到大于110摄氏度的温度，例如，加热到约285摄氏度到约330摄氏度之间的温度。

在设备150上完成一个或多个沥青致密化循环后，液体沥青可在材料52内饱和并且多余的沥青可留在模腔202中。为了便于简单快速地从设备150中取出致密化的材料，可在设备150上提供冷却管194来冷却并固化熔融的沥青。在一些实施例中，致密化后，通过在加热管192中传送比较凉的热转移剂，可将加热管192用作冷却管。然而，在其他的实施例中，设备150包含独立的冷却管194。与含有共用的加热和冷却管的设备150相比，独立的加热管192和冷却管194通过减少热循环次数，使得设备150运行更加快速。

冷却管194与加热管192类似之处在于，冷却管194可至少延伸通过一部分模具200内与模具200发生热交换。冷却管194可定义构造成与热转移剂进行流体连通的孔，该热转移剂可以是与通过热器管192接收的相同的或不同的热转移剂。在操作过程中，热转移剂可通过冷却管194传送。因此，冷却管194可传导地冷却模具，包括模腔202内含有的材料52和沥青。

参照图2-6已经描述了不同示例的材料结构、模具和设备。图7是说明利用配置为压缩、穿插和沥青致密化材料的设备处理材料的示例方法的流程图。为了便于说明，将图7的方法描述为利用设备50(图2)实施。然而，在其他的实施例中，图7的方法可以用设备150(图6A和6B)或如本文所述的具有不同配置的设备实施。

如图7所示，碳纤维材料52可插入致密化设备50的模腔55中(250)，压缩模块58在模腔55中压缩材料52(252)，穿插模块62可收缩地伸出一个或多个针到至少一部分模腔55中，从而在模腔内缠绕材料52不同的纤维(254)。在模腔55中适当地处理材料52后，设备50可再通过VPI模块60进行一个或多个VPI循环来沥青致密化模具54的模腔55内的材料52(256)。

如图7所示，材料52可插入沥青致密化设备50的模具54的模腔55内(250)。如上所述，模具54可以从沥青致密化设备50中取出或者与沥青致密化设备50永久形成在一起。在一些实施例中，模腔55的形状大致相应于由材料52形成的成品部件的形状。例如，模腔55可具有大致相应于制动转子盘36或制动定子盘38(图1)的形状。模具54可由两个或更多可分离的部分形成，这些部分可以分开以将材料52插入模腔55中。材料52可以是碳基纤维材料、碳基非纤维材料或非碳基材料。在一些实施例中，材料52可预碳化。在一些附加的实施例中，材料52可被处理成多个分开的片段，这些片段可以分别插入模腔55中。在还有一些另外的实施例中，在将材料52插入模腔55前，可将模具54预热到，例如，大于110摄氏度的温度。

材料52在被插入模腔55(250)后，将其在模腔55内进行压缩(252)。压缩模块58可以对材料52施加机械力以压缩模腔55内的材料。在一些实施例中，压缩模块58可包含压板或压缩模腔55内的材料52的其他特征，例如，通过向着模具底面挤压材料52。在一些实施例中，模具54可包含响应于来自压缩模块58的压力而致动的一个或多个特征。虽然压缩模块58可在模具54内将材料52压缩到任何合适的密度，在一些实施例中，压缩模块58可将材料52压缩到约17体积百分比材料和约30体积百分比材料之间的纤维体积密度。

任选地，可通过穿插模块62在模腔55内穿插材料52(254)。在穿插操作过程中，穿插模块62的一个或多个针可收缩地延伸到至少一部分模腔55以及模腔55内的材料52中(254)。在一些实施例中，一个或多个针可包含钩状远端，当一个或多个针插入材料52时远端钩住材料52不同的纤维。针262可在模腔55内缠绕材料52不同的纤维。缠绕一起的纤维可防止在随后的沥青致密化期间的分离。尽管图7的示例中在材料52被压缩后包含穿插材料52(252)，但在模腔55内压缩材料52之前，也可以对材料52进行额外的或者替换的穿插。此外，如上所述，在一些实施例中，不在模腔55内穿插材料52。

在压缩模腔55内的材料52(252)和穿插模腔55内的材料52(254)后，可利用VPI循环在模腔55内用沥青将材料52致密化(256)。在VPI循环中，可将模具54的模腔55降低至真空压力来排空材料52的孔。然后，可以用熔融沥青充满模腔55。充满后，可以利用一种气体例如，惰性氮气对模腔55内的沥青加压。按照这种方式，设备50可用于通过一个或多个VPI循环来致密化材料。总体而言，在图7的示例中，材料被压缩、穿插和用沥青致密化都可以在设备的模腔55中进行。

通过在同一个设备中处理材料，然后沥青致密化处理后的材料，图7的技术可使设备50能处理在其他情况下不可以被制成预成形品、然后在单独的设备上沥青致密化的材料。例如，在一些实施例中，设备50可用于处理预碳化的碳纤维材料或沥青纤维材料，这些材料没有足够的机械强度，不能制成预成形品。在一些实施例中，使用这些材料可以省去碳化处理，例如，在制造预成形品过程中进行的碳化步骤，碳化处理在其他情况下亦可以在制造C-C复合材料部件的过程中进行。

上文已经描述了各种实施例。这些和其他的实施例都在随后的权利要求的范围内。

Claims

1.一种设备，包括：

模具，其定义构造成接收要被致密化的材料的模腔，其中模腔被构造为从第一体积被调整到小于第一体积的第二体积来压缩模腔内的材料；

气源，其被构造为在模腔中施加气体压力，以迫使沥青进入模腔内的材料来致密化该材料；以及

真空源，其被构造为至少在施加气体压力之前在模腔内制造真空压力。

2.权利要求1的设备，其中模具定义了顶面、底面和定义在顶面和底面之间的模腔，并且其中顶面构造为致动以将模腔的体积从第一体积减小至第二体积。

3.权利要求1的设备，还包括压力机，其被构造为调整模腔的体积，其中所述压力机被构造为将模腔内的材料压缩到约15体积百分比材料到约50体积百分比材料之间。

4.权利要求3的设备，其中所述压力机被构造为将模腔内的材料压缩到约17体积百分比材料到约30体积百分比材料之间。

5.权利要求4的设备，其中所述压力机包括液压活塞，该活塞被构造为致动模具的表面来压缩模腔内的材料。

6.权利要求1的设备，其中所述气源被构造为在模腔中施加约10磅每平方英寸(psi)到约1000psi之间的气体压力。

7.权利要求6的设备，其中所述真空源被构造为在模腔中施加约1托到约100托之间的真空压力。

8.一种方法，包括：

将材料插入设备的模腔中，其中所述设备被构造为利用真空压力渗透循环来致密化在模腔中的材料；

通过将模腔从第一体积调整到小于第一体积的第二体积来压缩在模腔内的材料；以及

利用真空压力渗透循环在模腔中沥青致密化压缩后的材料。

9.权利要求8的方法，其中要被致密化的材料包括碳化聚丙烯腈纤维或沥青纤维中的至少一种。

10.权利要求8的方法，其中材料的压缩包括将材料压缩至约17体积百分比材料到约30体积百分比材料之间。