CN102795872A - 在致密化之前多孔预成形体的刚性化 - Google Patents

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Abstract

本发明为在致密化之前多孔预成形体的刚性化。液态可碳化的前体被灌注到多孔预成形体中，灌注的前体随后热解以将该前体转化成碳。该碳增强该预成形体的刚性。在某些实例中，该预成形体能够致密化而限定可用于航空航天工业中的碳-碳复合材料制动盘。

Description

在致密化之前多孔预成形体的刚性化
技术领域
本公开物涉及多孔预成形体，如用于制造碳-碳复合材料的多孔预成形体。
背景技术
一些碳-碳复合材料基体（carbon-carbon composite bodies），如用于航空航天工业的一些碳-碳复合材料制动盘（brake discs），可以从多孔预成形体制造。该预成形体可以通过使用几种工艺中的一种来致密化，如化学汽相沉积/化学汽相浸渗(CVD/CVI)，真空/压力浸渗(VPI)，高压浸渍/碳化(PIC)，或树脂转移模塑(RTM)，这些工艺可以在多孔预成形体内施加碳。
本发明的概述
一般，本公开涉及在使用一个可让预成形体承受较大压力或真空的加工步骤(例如，高压树脂转移模塑(RTM)过程)将预成形体致密化之前将多孔预成形体刚性化（rigidizing），这会影响预成形体的完整性。在一些实例中，液态可碳化的前体被灌注到该预成形体中，灌注的前体随后热解而在预成形体中形成碳，该碳增强预成形体的刚性。在一些情况下，该前体至少被灌注到在预成形体内的预定深度以便增强预成形体的刚性至少达到预定深度，其中该预定深度特别容易遭受在后续致密化过程中施加的力的破坏。通过热分解该前体所形成的碳具有开孔结构，其允许致密化试剂的浸渗，所述致密化试剂如使用高压RTM工艺浸渗到多孔预成形体中的树脂或沥青。
在一个例子中，本公开物涉及包括以下步骤的方法：将液态可碳化的前体基本上灌注到多孔预成形体中，然后热分解该灌注前体以便将前体转化成碳，其中碳增强预成形体的刚性。
在另一个实例中，本公开涉及包括碳-碳复合材料预成形体，它包括：多孔预成形体基体，该多孔预成形体基体包含基本上遍布该基体的孔隙（porosity），和基本上灌注到该多孔预成形体基体的孔隙中的可碳化的前体，其中当该前体热解时该可碳化的前体可热解以形成碳，所述碳经构造设计（configured）以增强该多孔预成形体基体的刚性。
在另一个实例中，本公开涉及碳-碳复合材料预成形体，它包括多孔预成形体基体，该多孔预成形体基体包含基本上遍布该基体的孔隙，和基本上遍布该多孔预成形体基体的孔隙的所形成的碳，其中该碳增强该预成形体基体的刚性。
本公开的一个或多个例子的细节将在附图和下面的叙述中进行阐述。本公开物的其它特征、目的和优点将从下面的详细说明和附图以及从所附权利要求能够清楚地看出。
附图简述
图1是可用于制造碳-碳复合材料基体的示例多孔预成形体的透视图。
图2是示例多孔预成形体的横截面视图。
图3是在用前体灌注预成形体和热分解该前体以刚性化该预成形体之后示例多孔预成形体的横截面视图。
图4是可用于将致密化试剂浸渗到刚性化的预成形体中的示例模具的横截面视图。
图5是举例说明从多孔预成形体制造碳-碳复合材料基体的示例方法的流程图。
图6是举例说明从多孔预成形体制造碳-碳复合材料基体的另一个示例方法的流程图。
详细说明
一般，本公开物涉及刚性化多孔预成形体(例如，提高预成形体的刚性)，它能够随后被进一步加工以形成碳-碳复合材料基体。该碳-碳复合材料基体可以进一步加工，例如，形成可用于航空航天工业中的碳-碳复合材料制动盘。希望将碳-碳复合材料基体致密化以便改进该基体的热导率；在一些情况下，随着碳-碳复合材料基体的密度提高，它更好地导热，并且它更好地用作吸热剂(heat sink)。在一个实例中，多孔预成形体是通过将液态的可碳化前体灌注到多孔预成形体中和随后热解该前体以形成刚性化用和/或稳定化用碳（rigidizing and/or stabilizing carbon）。相对于在可碳化的前体引入到预成形体中和该前体的热解之前的预成形体的结构，该碳为多孔预成形体提供增强的结构强度和/或刚性。通过前体的灌注和热解刚性化的多孔预成形体能够更好地承受由后续加工施加在该预成形体上的力(例如，剪切力)，该力也许会相反损害该预成形体的完整性，如通过使预成形体发生层离。
在一些例子中，可碳化的前体基本上被灌注到多孔预成形体基体中，如以至少达到预定的深度被灌注到该多孔预成形体基体中。例如，该前体可以被灌注到从预成形体基体的外表面到预成形体基体的几何中心的距离的至少约50%的深度，如灌注到从该外表面到该几何中心的该距离的至少约70%的深度，如灌注到从该外表面到该几何中心的该距离的至少约90%的深度或灌注遍布整个预成形体。灌注的前体随后热解而在多孔预成形体内形成刚性化碳。在一些例子中，该前体基本上灌注遍布整个预成形体基体，并且基本上遍布整个预成形体基体形成了通过热解该可碳化的前体所形成的刚性化碳。通过热解该前体所形成的碳可具有开孔结构，它允许通过后续的致密化过程中致密化试剂的浸渗。
在某些例子中，多孔预成形体可以灌注以可碳化的前体，并且在预成形体经历可能损害该预成形体的完整性的任何加工技术之前，如可让预成形体经历较大压力或经历真空和/或经历该致密化试剂的快速浸渗的致密化之前，该前体可以热解。可损害该预成形体的完整性的加工技术的例子包括，但不限于，树脂转移模塑(RTM)或其它高压/真空和/或快速浸渗加工步骤。与没有使用这里所述的技术进行刚性化的预成形体相比，刚性化的预成形体可更好地承受较高的压力，较高的致密化试剂的灌注速率，和所导致的力，如施加于预成形体上的剪切力和压力。例如，根据本公开的刚性化预成形体能够承受剪切力和由致密化试剂所施加的其它力，但预成形体没有层离。
用于使多孔预成形体致密化(例如，成形碳-碳复合材料，如碳-碳制动盘)的一些方法包括施加较高的压力或真空，或可包括致密化试剂的快速浸渗以便用致密化试剂浸渍多孔预成形体。例如，共同转让的美国专利No.6,537,470(授权于Wood等人，2003年3月25日公布)和共同转让的美国专利No.7,172,408(授权于Wood等人，2007年2月6日公布)各自描述了RTM方法，其中致密化试剂如树脂或沥青在较大的压力和较高的浸渗速度下被注射到容纳多孔预成形体的模具中以便让树脂或沥青基本上完全地渗入到多孔预成形体中。美国专利No 6,537,470和7,172,408的全部内容被引入供参考，就象在这里再现一样。在一些例子中，RTM可以在模具中在约9兆帕(约1300磅/平方英寸(PSI))和约20.5兆帕(约3000 PSI)之间的压力下，例如在约12.4兆帕(约1800 PSI)和约18.96兆帕(约2750 PSI)之间的压力下进行，以便在非常短的时间中，例如在约15秒和约40秒之间，如在约18秒和约25秒之间，或在约20秒和约22秒之间用树脂或沥青浸渍多孔预成形体。
多孔预成形体需要在较高压力/真空的实施和/或快速浸渗加工步骤之前被增强或刚性化以便帮助避免或减少对多孔预成形体的损害，该损害表现为包括几个多孔层的多孔预成形体的各层或其它结构的层离形式。例如，以上列举的美国专利No 6,537,470和7,172,408描述了在利用RTM法用树脂或沥青浸渗预成形体以使该预成形体刚性化之前，单个周期的化学汽相沉积/化学汽相浸渗(CVD/CVI)。一些CVI/CVD工艺将非常薄的碳层，例如厚度在约2微米和约10微米之间，沉积到在多孔预成形体内的结构上，如沉积到构成含纤维（fibrous）多孔预成形体的纤维上。然而，CVD/CVI无法达到在预成形体内的足够深度，使得大的压力或真空和/或在多孔预成形体内致密化试剂的快速渗滤可能导致损坏，如层离。
本公开物描述了在可能让多孔预成形体经受潜在损害性的物理条件，如较大的压力或较大的真空和/或致密化试剂(可用于为该预成形体浸渗以高粘度的、中-高焦炭产率型的沥青或树脂)的快速浸渗的加工步骤(例如，致密化过程)之前使多孔预成形体刚性化的方法。在一些例子中，这里所述的刚性化可以在任何其它刚性化或致密化步骤之前，如在任何CVD/CVI或RTM工艺之前进行。在其它实例中，通过可碳化的前体(它随后热解)的使用，预成形体的刚性化是在单个CVD/CVI步骤之后进行的。
在一些例子中，该方法包括将至少预定厚度的该多孔预成形体刚性化。在其它实例中，基本上整个预成形体可以通过使用这里所述的技术来刚性化。这里所述的一些实例方法包括用可碳化的前体来灌注多孔预成形体，该前体设计成可以被灌注到该多孔预成形体基体中至少达到预定的深度，如基本上到达多孔预成形体的内部，随后热解该前体以便增强多孔预成形体的刚性。在一个实例中，该前体经过选择以具有一定粘度，该粘度是足够低的，使得该前体能够基本上灌注遍布整个多孔预成形体中。在一些例子中，该前体经过选择，这样，在热解后该前体将会形成具有基本上开孔的结构的碳以便允许被致密化试剂如沥青或树脂的进一步灌注，该试剂通过使用RTM法或一种或多种其它致密化工艺被注入到预成形体中。
图1是可用于碳-碳复合材料基体如碳-碳复合材料制动盘的制造中的示例多孔预成形体10的透视图。可用作预成形体10的预成形体的例子包括，但不限于：含纤维预成形体，如织造纤维预成形体，碳纤维预成形体，陶瓷纤维预成形体，非织造纤维预成形体，短切纤维（chopped-fiber）和粘结剂预成形体，如被粘结剂材料粘结在一起的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维，粘结剂处理的无规纤维预成形体；非含纤维预成形体，如泡沫预成形体，多孔碳基体预成形体，和多孔陶瓷基体预成形体；或预先刚性化的预成形体(它可以是已经通过这里所述的方法刚性化或通过其它方法刚性化的含纤维或非含纤维预成形体)。在一些例子中，预成形体10包含多个的机械结合（mechanically bound）的层，它能够是例如多个的含纤维层，如多个的织造织物层或非织造织物层，这些层被结合在一起，例如通过粘结剂如树脂粘结剂或通过针刺该多个层而结合在一起。在其它实例中，预成形体10不包括预先确定的层，但是，相反地，能够由机械(例如经由针刺)结合在一起的纤维束形成。在其它实例中，能够使用任何的上述类型的预成形体的组合。
在一个实例中，在图1中所述，预成形体10具有一般盘形（disc-shaped）的几何形状，因此从预成形体10制成的碳-碳复合材料一般是盘形的，例如，用作制动盘。盘形的预成形体10包括盘形的多孔基体12，其中有中心孔14贯穿基体12的轴向厚度。在一个实例中，盘形的预成形体10具有在孔14处的内径ID，在径向边缘16上的外径OD，和轴向厚度T，该轴向厚度T是在与其中测量内径ID和外径OD的方向基本上正交的方向上测量的。
图2举例说明了经由孔14贯穿预成形体10的中心所截取的示例预成形体10的横截面视图。预成形体10的多孔基体12可包括，例如，许多的纤维18，这些纤维在多孔性基体12内限定许多的孔隙20。基体12的孔隙基本上延伸贯穿基体12的厚度T。如上所述，纤维18可以通过粘结剂被粘结在一起，或纤维18可以形成为被结合在一起或被针刺在一起的多个纤维层(未显示)。纤维18和孔隙20不一定按比例显示，而是以概念来显示，以便举例说明本公开物的各个方面。
如上所述，预成形体10可以在进一步加工(例如，致密化)以形成碳-碳复合材料之前被刚性化或稳定化，如通过RTM致密化。在一些情况下，预成形体10通过在任何致密化步骤之前通过使用这里所述的技术来刚性化。在一些例子中，通过将可碳化的前体灌注到多孔预成形体基体12中，随后热解该前体以便将该前体转化成刚性化碳，将预成形体10刚性化。在一个实例中，该前体被至少灌注到在预成形体10内预定深度。在这里使用的“预定深度”可以指自预成形体基体12的外边缘计，如自外边缘16，自内边缘22(例如限定孔14的内边缘22)，自上边缘24，和自下边缘26计的绝对或相对深度。在一个实例中，前体可以设计成被灌注到自外边缘16、22、24、26计的至少约15%(例如，自外边缘16和内边缘22中的每一个计的在内径ID和外径OD之间的差异的至少约15%，以及自上边缘24和下边缘26中的每一个计的厚度T的至少约15%)的相对深度，例如自外边缘16、22、24、26计的至少约25%的相对深度，如自外边缘16、22、24、26计的至少约30%的相对深度，例如自外边缘16、22、24、26计的至少约40%(例如，自外边缘16和内边缘22当中的每一个计的在内径ID和外径OD之间的差异的至少约40%，以及自上边缘24和下边缘26当中的每一个计的厚度T的至少约40%)的相对深度。
在一个实例中，该前体设计成基本上灌注遍布整个多孔预成形体基体12，使得多孔预成形体基体12的内部28基本上填充该前体。该术语“内部”可以指在基体12内的一般处于几何中心的区域，其中内部所具有的体积是预成形体的总体积的预定百分数，如预成形体的体积的约15%和约50%，如预成形体的体积的约20%和约30%。
在一个实例中，对于一般环状的预成形体，如在图1中所示的示例预成形体10，预成形体基体12的几何中心一般是环（annulus）30(图1)，其一般在多孔预成形体基体12内的轴向中心，例如一般在厚度T内的中心，以及一般在多孔预成形体基体12内的径向中心，例如一般在内边缘22的内径ID与在外边缘16的外径OD之间居中。举例来说，“内部”可以被定义为在中心环30的任何一侧上多孔预成形体基体12的半径（radius）的预定百分数，如半径的至少约50%(例如，在中心环30的任何一侧上中心环30的半径的至少约25%)，例如半径的至少约30%(例如，在中心环30的任何一侧上半径的至少约15%)，如半径的至少约20%(例如，在中心环30的任何一侧上半径的至少约10%)，例如半径的至少约15%(例如，在中心环30的任何一侧上半径的至少约7.5%)。在另一个实例中，预成形体基体12包括粘结、层压或针刺在一起的多个纤维层，该内部28可包括在一般轴向中心层的任何一侧上多个层中的预定数量的内层。在一个实例中，该前体基本上被灌注遍布多孔基体12的整个孔隙。
在一个实例中，可碳化的前体可以通过使用真空浸渗法被灌注到多孔预成形体基体12中。真空浸渗可包括将多孔预成形体基体12浸泡在液态前体中和然后让预成形体10和液态前体经历真空，使得该液态前体芯吸到多孔预成形体基体12中。在一个实例中，真空浸渗可以在室温(例如，在约20℃(约68℉)和约25℃(约77℉)之间)下进行。在另一个实例中，多孔预成形体基体12可以轻微地加热，例如，加热至约40℃(约105℉)的温度，以便协助可碳化的前体灌注到在内部28内的孔隙20中，或在一些例子中，灌注遍布基本上整个多孔预成形体基体12的孔隙20。
在一些例子中，可碳化的前体可包括具有一定粘度的材料，该粘度是足够的低，使得该前体基本上灌注遍布多孔预成形体基体12的整个本体，例如使得该前体至少灌注到在预成形体10内的预定深度或使得前体基本上灌注到基体12的内部28。该前体可以是，例如，相对非粘性的。在一个实例中，可碳化的前体的粘度是在约4厘泊和约100厘泊之间，例如在约4厘泊和约50厘泊之间，如约4.5厘泊。
在一个实例中，可碳化的前体可包括低碳产率型(low-carbon yielding)前体，例如，具有低于约20%，例如约50%的当热解时的碳产率(carbon yield)的前体。与较高碳产率型前体，如中-碳产率型前体或高-碳产率型前体，例如，具有至少50%、例如至少约90%或大于90%(例如，92%)的碳产率的那些前体相比，低碳产率型前体可具有较低的粘度。
在一些例子中，可碳化的前体可包括一种或多种的低碳产率型化合物，如低碳产率型醇类，例如糠醇。可碳化的前体的其它例子包括，但不限于，低熔点各向同性沥青，低碳产率型沥青，如煤焦沥青。在一个实例中，该前体可包括这样的材料，后者在热解时立即形成开孔碳。此类前体的例子是糠醇。在另一个实例中，该前体可包括这样的材料，该材料当热解时部分地或基本上密封孔隙20，但是它们能够经由进一步加工被转化成开孔碳32。后一个实例的例子是煤焦沥青，它经热解可部分地或基本上密封孔隙20，其中密封的孔隙可通过炭化和热处理以及如果需要的话机加工该热解的煤焦沥青而再次打开。
在将前体灌注到多孔预成形体基体12中之后，该前体热解形成碳，所述碳增强多孔预成形体基体12的刚性和/或稳定性。图3显示了与在图2中相同的横截面视图，但是在前体已经灌注到多孔基体12中并且热解以在多孔基体12内形成碳32从而形成刚性化的预成形体34之后。在一个实例中，碳32经构造设计以增强预成形体基体12的内部28的刚性。在其中该前体基本上被灌注到遍布多孔预成形体基体12的整个孔隙中的实例中，当与非刚性化的预成形体10的刚性相比时，基本上遍布整个多孔预成形体基体12形成碳32以便充分地增强贯穿整个刚性化的预成形体34的刚性。刚性化的预成形体34－它包含具有在预成形体基体12的孔隙20内形成的刚性化用碳32的预成形体10－具有比非刚性化预成形体10更大的结构刚性，使得刚性化的预成形体24通过进一步加工，如高压RTM致密化加工法，可以更好地承受施加于刚性化的预成形体24上的力，该进一步加工会损害预成形体24的完整性。
在一个实例中，碳32在预成形体24内增加材料，在预成形体24内提供附加的结构完整性，因此碳32可增强预成形体10的贯穿厚度的韧性，例如通过增强预成形体24的韧性和/或刚性。在一些情况下，碳32提高预成形体24的内部28(例如，在其中预成形体基体12由多个层限定的那些实例中的内层)以及预成形体24的外部(例如，在其中预成形体基体12由多个层限定的那些实例中的外层)的刚性和/或韧性。预成形体10的韧性和/或刚性的增强可以是相对于在可碳化的前体引入到预成形体10中之前和在预成形体10内该前体的后续热解之前非刚性化预成形体10的韧性和/或刚性来说的。
在一个实例中，如图3中所示，在多孔预成形体基体12的孔隙20内形成碳32。在其中多孔预成形体基体12包含大量纤维18的那些实例中，碳32可基本上包围大部分的纤维18，并且在一个实例中，碳32可基本上包围基本上全部的所述许多纤维18。然而，在一些实例中，碳32也可不连续地涂覆纤维18。相反地，在预成形体基体12和前体的碳化后，在孔隙20内形成的碳可以是在纤维18上的非连续层，例如限定有裂纹的表面。前体发生热解的较高温度可能导致碳从所述前体中的分裂（cracking）。在孔隙20内的非连续碳32可用于提高在孔隙20内的表面积，它们能够用于提高在后续的致密化步骤，如CVD/CVI、VPI、或RTM致密化步骤之后基体12的密度。例如，碳32可限定树脂、沥青或来自后续的致密化步骤中的碳可以附着的表面。以这种方式，孔隙20可以按照允许发生另外致密化的构造（configuration）来部分地填充以碳32。
通过热解该灌注的前体所形成的碳32被设计成结合至在后续致密化步骤中所使用的碳纤维或其它致密化试剂。在一个实例中，通过热解该灌注前体所形成的碳32具有开孔结构以便允许在RTM加工步骤(下面更详细描述)中使用的致密化试剂如沥青(例如，各向同性或中间相沥青)或树脂穿过刚性化预成形体34(例如，穿过碳32和基本上贯穿预成形体基体12)的浸渗。开孔结构也可允许在CVD/CVI步骤中形成的碳的浸渗。在开孔结构中，限定了约10微米到约250微米的开孔，虽然其它尺寸也是可想到的。在碳32的形成之后孔隙20的尺寸进行选择，使得致密化试剂能够填充孔隙20。
在一个实例中，可碳化的前体可以通过将灌注的预成形体基体12加热到至少该前体的焦化温度来热解。在一个实例中，灌注的预成形体基体12可以被加热到在约250℃(约480℉)和约810℃(约1490℉)之间的温度，例如至少约550℃(约1020℉)。在一些实例中，灌注的多孔预成形体12可以经受相对小的压力，例如在约110千帕斯卡(约16磅/平方英寸(PSI))和约350千帕斯卡(约50 PSI)之间。然而，在其它实例中加压不是必需的。
如上所述，通过用可碳化的前体灌注多孔预成形体基体12并热解它所进行的预成形体10的刚性化，可以与多孔预成形体基体12的其它刚性化或稳定化方法一起使用。在一个实例中，多孔预成形体基体12可以通过一个周期的(a cycle of)化学汽相沉积/化学汽相浸渗(CVD/CVI)来刚性化和/或稳定化，该周期可以在多孔预成形体基体12的结构上，如在纤维18上沉积较薄的碳膜，例如厚度在约2微米和约10微米之间。然而，如上所述，在某些实例中CVD/CVI无法导致刚性化材料充分沉积到多孔预成形体基体12的内部28。因此，包括这里所述的前体的技术可用于与CVD/CVI加工一起或代替CVD/CVI加工来提高预成形体10的刚性。
在一个实例中，CVD/CVI刚性化是在可碳化的前体灌注到多孔预成形体基体12中之前进行的，因此，灌注的前体涂覆在由CVD/CVI沉积的任何碳之上。例如，在一个实例中，单个周期的CVD/CVI能够在将任何可碳化的前体灌注到多孔预成形体基体12中和热解该前体之前进行。在另一个实例中，多于1个周期的CVD/CVI能够在将可碳化的前体灌注到多孔预成形体基体12中和热解该前体之前进行。在另一个实例中，用可碳化的前体灌注多孔预成形体基体12并热解该前体可以在CVD/CVI刚性化之前进行。
在按照如上所述的方法形成刚性化的预成形体34(如经由CVD/CVI)和随后将可碳化的前体灌注在多孔预成形体基体12中并热解它之后，预成形体34可以进一步加工，使得所得碳-碳复合材料具有所需性能。在一个实例中，刚性化预成形体34被致密化，例如使用将致密化试剂如沥青或树脂浸渗到刚性化的预成形体34中的RTM方法。图4是例如可用于RTM加工中使树脂或沥青浸渗到刚性化的预成形体34中的模具40的横截面视图。在一个实例中，模型40限定了在上半模部分（upper mold portion）44和下半模部分（lower mold portion）46之间的一般环形的腔室。入口48如喷嘴将树脂或沥青输送到闸门（gate）50。在一个实例中，闸门50是由上闸门52(它可以是上半模部分44的一部分)和下闸门54(它可以是下半模部分46的一部分)限定的。
将刚性化预成形体34放入到腔室42中。在一个实例中，如图4中所示，上闸门52和下闸门54轴向延伸到预成形体34的中心孔14中，以便将预成形体34在所需的位置上固定在腔室42内。致密化试剂如沥青或树脂的流路是以概念方式通过箭头56显示在图4中。致密化试剂流路56从入口48通入到闸门50，其中致密化试剂分布遍布于腔室42中和浸渗到刚性化的预成形体34中，因此致密化试剂分布遍布于在通过热解该刚性化前体所形成的碳32的开孔结构中。
在一个实例中，模具40进一步包括一个或多个挡扳58，这些挡扳可以在上半模部分44和/或下半模部分46中形成并且延伸到腔室42中。通过在挡扳58和预成形体34之间产生比在模部分44，46和预成形体34之间产生的轴向间隙（axial clearance）更小的间隙，挡扳58可在模具40中产生流动阻力差异。在一个实例中，如图4中所示，挡扳58一般是在腔室42的外径上形成，以一般从模具40的外径向着闸门50，在模具40中产生流动阻力差异。该差异可在挡扳58处，例如，在腔室42的外径上，产生更大的流动阻力，并且从预成形体34的外径向着孔14，沿着预成形体34径向地减少流动阻力。挡扳58可允许使用较高粘度的致密化试剂，如芳族树脂(AR)中间相沥青，它提供较高的碳产率(例如，>80%碳产率)，同时仍然确保致密化试剂基本上浸渗到整个预成形体34中。在一个实例中，各挡扳58包括锥形部分60，当锥形部分60径向向外延伸到模具40的外径时，该锥形部分向着模具40的轴向中心逐渐变小。
使40也可设计成允许空气或挥发物从模具腔室42中的排放。在一个实例中，如图4中所示，模具40包含用于排放空气或其它挥发物的一个或多个排气口62。在致密化试剂注入腔室42的过程中进行排气，经由排气口62从模具40中驱除空气和挥发物。在其它实例中，在致密化试剂的注入过程中，对模具腔室42施加真空，如经由排气口62。
图4描绘了具有为单个刚性化预成形体34所提供的仅仅单个腔室42的模具40。然而，在其它实例中，模具可以设计成具有（configured with）能够容纳多个刚性化预成形体34的腔室或设计成具有多个腔室且各腔室容纳一个或多个刚性化预成形体34，使得，该多个刚性化预成形体34可以基本上同时用致密化试剂浸渗。用于RTM的模具的其它构造也可用于使刚性化预成形体34致密化。
在一个实例中，致密化试剂，如树脂或沥青，可以通过使用注射设备快速地注入到模具40中，例如，在约10秒和约40秒之间，如约在约15秒和约40秒之间。在一个实例中，该注射设备可包括加热式挤出机（heater extruder），它熔化致密化试剂原料如树脂粒料，并将液体状致密化试剂加入到储存器（accumulator）中。注射器如柱塞可以驱动该液态致密化试剂在较高的压力下和在较高的速度下进入到模具40中。在一个实例中，该注射器可以设计成将致密化试剂在约9兆帕(约1300磅/平方英寸(PSI))和约20.5兆帕(约3000 PSI)之间，例如在约12.4兆帕(约1800 PSI)和约18.96兆帕(约2750 PSI)之间的压力下输送到模具40，和可以设计成将基本上全部的在该储存器中的熔化的致密化试剂在约15秒和约40秒之间，例如在约18秒和约25秒之间，如在约20秒和约22秒之间中输送到模具40。示例性的注射设备和使用该设备的方法的进一步表述已描述在共同转让的美国专利No 6,537,470和7,172,408中。
如图4中所示，致密化试剂的流路56流入到预成形体24的内部，例如流入到内部28。如上所述，RTM可包括将致密化试剂在较高的压力下注入模具40中。通过让模具接受真空压力，例如接受具有低于约500乇，如100乇或更低的绝对压力的真空以提高高碳产率型致密化试剂的浸渍的深度，该致密化试剂也可被注入模具40中。RTM加工也可包括将致密化试剂快速地注入到模具40中，以便用致密化试剂快速地浸渍预成形体24。在大的压力或真空下这一快速浸渍可以跨越在模具40内的预成形体施加力，该力通常会损害该预成形体的结构完整性，特别是如果致密化试剂是高碳产率型的、高粘度的致密化试剂，例如通过在该预成形体基体内施加较大的剪切力。例如，在其中多孔预成形体基体包括多个层压层的实例中，在高的压力或真空下的快速浸渍可用于使多孔预成形体基体12的层发生层离。刚性化用碳32用于为多孔预成形体基体12提供附加的结构支撑，因此，刚性化的预成形体34能够承受该RTM工序，例如通过提供增强的结构支撑以抵抗在大的压力或真空下由致密化试剂的快速浸渗所施加的剪切力。
可用于采用模具40的RTM工序中的致密化试剂的例子包括提供例如大于约80%的较高碳产率和可具有较高粘度的液态树脂或沥青(例如，各向同性和/或中间相沥青)，如合成中间相沥青，煤焦油衍生的沥青，如热或化学处理过的煤焦油，石油衍生的沥青，合成沥青衍生物，热处理的沥青，催化转化的沥青，和热固性或热塑性树脂类如酚醛树脂。可用于RTM工序中的合成中间相沥青的例子是由Mitsubishi Gas Chemical Company，Inc.(日本东京)制造的芳族树脂(AR)中间相沥青或催化聚合的萘。
在将致密化试剂注入到刚性化的预成形体34中后，致密化试剂可以热解以除去任何非含碳元素（non-carbon containing elements），这可将致密化试剂浸渗的预成形体34转化成碳-碳复合材料。在一个实例中，当使用合成中间相沥青如AR中间相沥青时，该沥青可以通过使用热等压加压(HIP)来热解。在另一个实例中，致密化试剂如AR中间相沥青可以通过将致密化试剂浸渗的预成形体34在含氧的环境中加热到低于该致密化试剂的软化点的温度，例如对于AR中间相沥青在约150℃和约240℃之间，来稳定化。该氧气可与致密化试剂反应以便在致密化试剂内提供交联。一旦合适量的氧气已经被吸收和/或在致密化用沥青中反应，在没有熔化该致密化试剂或没有从预成形体34中渗出任何致密化试剂的情况下，预成形体34可以提高温度至热解温度。
在致密化试剂已经浸渗到预成形体34中和热解之后进行进一步的加工。例如，如果在致密化试剂浸渗的预成形体34内仍然有一些开口的空隙，则可以进行一个或多个的进一步致密化步骤，如附加的CVD/CVI加工，RTM，VPI，或它们的任何组合。从致密化试剂浸渗的预成形体34形成的碳-碳复合材料可以进一步加工，如通过焦化或热处理。所得到的碳-碳复合材料基体也可以例如经由加工被成形为所需的形状，如最终的制动盘形状。
图5是举例说明制造碳-碳复合材料基体的示例方法的流程图。该示例方法包括将可碳化的前体灌注到在多孔预成形体10(100)内的至少预定深度并热解该前体，以便将该前体转化成刚性化用碳32(102)。该碳经构造设计以增强多孔预成形体10的刚性，使得前体的灌注和前体的后续热解导致形成刚性化的预成形体34(图3)。该实例方法可进一步包括将刚性化的预成形体34致密化以形成碳-碳复合材料基体(104)。在某些实例中，刚性化的预成形体34通过使用一个或多个致密化工艺，例如但不限于，CVD/CVI，RTM，或VPI，来致密化。在一个实例中，如上所述的将刚性化的预成形体34(104)致密化包括用高粘度、高碳产率型树脂或沥青如AR中间相沥青进行快速RTM工艺，随后热解该树脂或沥青。
图6显示了制造碳-碳复合材料基体的另一个示例方法。在图6中所示的方法类似于在图5中所示的方法，但包括在将可碳化的前体灌注到在多孔预成形体10(100)内的至少预定深度之前，经由CVD/CVI加工步骤(110)来刚性化多孔预成形体10。在某些实例中，在将可碳化的前体灌注到预成形体10(100)中之前进行仅仅一个CVD/CVI周期(110)。在另一个未显示的实例中，代替在将可碳化的前体灌注到多孔预成形体10中之前所进行的CVD/CVI刚性化或与该刚性化一起，可以在热解该前体(114)之后但在使该刚性化的预成形体34(104)致密化(例如经由RTM加工)之前可以进行CVD/CVI刚性化。
已经描述了各种实例。这些和其它实例都在所附权利要求的范围之内。

Claims (10)

1.方法，该方法包括：
将液态可碳化的前体灌注到多孔预成形体中；和
将该灌注的前体热解以便将该前体转化成碳，其中该碳增强该预成形体的刚性。
2.权利要求1的方法，进一步包括，在热解该灌注的前体后，将该预成形体致密化以形成碳-碳复合材料基体。
3.权利要求2的方法，其中致密化该预成形体包括：
利用树脂转移模塑法用致密化试剂浸渗该预成形体；和
热解该致密化试剂，其中通过热解该前体所形成的碳为该前体提供足够的刚性，以防止在该致密化试剂浸渗到该预成形体中的过程中该预成形体的层离。
4.权利要求1的方法，其中该前体所具有的粘度足够低以允许基本上灌注到该预成形体的内部。
5.权利要求1的方法，其中该可碳化的前体包含含有糠醇的低碳产率型前体。
6.权利要求1的方法，其中该碳具有开孔结构。
7.权利要求1的方法，进一步包括，在热解该灌注的前体后，通过化学汽相沉积/化学汽相浸渗法刚性化该预成形体。
8.权利要求1的方法，进一步包括，在将可碳化的前体灌注到该预成形体中之前，通过化学汽相沉积/化学汽相浸渗法刚性化该预成形体。
9.碳-碳复合材料预成形体，其包含：
多孔预成形体基体，其包含基本上遍布该基体的孔隙；和
基本上灌注到该多孔预成形体基体的所述孔隙中的可碳化的前体，其中该可碳化的前体可热解以形成碳，该碳经构造设计以在该前体热解时增强该多孔预成形体基体的刚性。
10.权利要求9的碳-碳复合材料预成形体，其中该可碳化的前体包含含有糠醇的低碳产率型前体。
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