CN105418130B - 促进致密碳纤维预制件中的沥青稳定 - Google Patents

Abstract

本发明涉及促进致密碳纤维预制件中的沥青稳定，公开了一种形成致密预制件或复合部件的方法，包括部分地致密多孔预制件、在该部分致密预制件中形成通向该部分致密预制件的外表面的通道、渗透致密剂例如沥青到该部分致密预制件的至少一些通道中、至少部分地稳定该致密剂，包括在第一温度下加热从而在该致密剂内形成裂缝以及暴露该预制件于氧化剂，以及在第二温度下加热该至少部分稳定预制件以碳化至少该稳定致密剂。还公开了一种部分致密预制件，其包括布置在至少这样的通道中的致密剂。

Description

促进致密碳纤维预制件中的沥青稳定

技术领域

本发明描述了用于处理含有致密剂的多孔预制件的技术。

背景技术

碳纤维增强碳材料，也被称为碳-碳（C-C）材料，是通常包括在碳材料基体中增强的碳纤维的复合材料。碳-碳复合材料在很多严峻、高温应用中找到。例如，已知航空航天工业采用碳-碳复合材料用于制造不同的飞行器结构部件。用在碳-碳复合材料中的碳纤维可以构造成限定出所得结构部件的形状，并且因此可以称作预制件。预制件可以经历不同的处理步骤以增大预制件的碳含量和密度，将预制件变换成碳-碳复合部件。例如，使用一个或多个沥青（pitch）致密处理，碳可以被加到预制件中。通常，沥青致密处理操作成使碳纤维预制件浸渍有沥青，随后冷却固化制成密实高含碳量的碳-碳部件。多孔预制件可以使用多个致密处理中的一个被致密，例如，化学气相沉积/化学气相渗透（CVD/CVI）、真空压力渗透（VPI）、高压浸渍/碳化（PIC）或树脂传递模塑（RTM），这可以引入碳或碳母体到多孔预制件中。

发明内容

总体上，本发明涉及用于致密多孔预制件和形成碳化预制件的技术。在一个示例中，本发明专注于一种技术，其包括渗透致密剂到部分致密预制件的多个气孔的至少一些气孔中以形成渗透预制件，并且在渗透预制件的致密剂中至少部分地形成多个通道，从而，该多个通道的每一个通道通向该渗透预制件的至少一个外表面。该示例技术进一步地包括至少部分地稳定至少致密剂以形成至少部分稳定的预制件，通过在第一温度下至少加热包含该多个通道的该渗透预制件并且将包含该多个通道的渗透预制件暴露于氧化剂以稳定至少致密剂并且形成至少部分稳定的预制件。该示例技术还包括在第二温度下加热该至少部分稳定的预制件以至少碳化该稳定致密剂以形成碳化预制件。

在另一示例中，本发明专注于一种技术，其包括渗透致密剂到部分致密预制件的多个气孔的至少一些气孔中以形成渗透预制件，并且在渗透预制件的致密剂中至少部分地形成多个通道，从而使该多个通道的每一个通道通向该渗透预制件的至少一个外表面。这个示例技术进一步地包括至少部分地稳定至少致密剂以形成至少部分稳定的预制件，通过在第一温度下至少加热包含该多个通道的渗透预制件并且将包含该多个通道的渗透预制件暴露于氧化剂以稳定至少致密剂并且形成至少部分稳定的预制件。这个示例技术还包括在第二温度下加热该至少部分稳定的预制件以碳化至少该稳定致密剂以形成碳化预制件。

本发明还描述了一个示例部分致密预制件，其包括多个纤维、多个通道和致密剂，在多个纤维之间限定出多个气孔，该多个通道的每一个通道通向部分致密预制件的至少一个外表面，该致密剂布置在该多个气孔的至少一些气孔中和该多个通道的至少一些通道中。

在下面的附图和描述中阐述本发明的一个或多个示例的详细内容。本发明的其它特征、目标和优点通过这个描述和附图并且通过权利要求将变得显而易见。

附图说明

图1是流程图，示出根据本发明的形成碳化预制件的示例技术。

图2是示例多孔预制件的立体图。

图3是图2的示例多孔预制件的横向剖视图。

图4是示例部分致密预制件的横向剖视图。

图5是含有多个通道的示例部分致密预制件的横向剖视图。

图6是含有多个通道的示例部分致密预制件的横向剖视图，该多个通道渗透有致密剂。

图7是示例至少部分稳定预制件的横向剖视图。

图8是流程图，示出根据本发明的形成碳化预制件的另一示例技术。

具体实施方式

对于具有大尺寸的预制件，例如，含有摩擦材料的碳-碳飞行器制动盘预制件，在沥青致密预制件的处理期间沥青氧稳定能够花费数个星期，因为沥青的紧密孔隙度会阻止氧扩散到预制件的中央区域。在一些示例中，当认为完成了沥青稳定时，还没有完全稳定的沥青仍然困在预制件的中央区域并且在后续处理步骤（包括沥青的高温碳化）期间可能渗漏。

本发明提供技术，包括在部分致密预制件中形成通道，其可以促进更多气体注入通过该部分致密预制件。在一些示例中，在部分致密预制件中形成通道还允许部分致密预制件处理期间产生的气体或其它挥发物出去。例如，碳化预制件中的稳定沥青或沥青从固体向熔化相的相变会在部分致密预制件中产生压力。这个压力会损害部分致密预制件，包括线性裂缝。增加通道到预制件的孔隙度可以促进气体和挥发物以更大的扩散速度进入和离开预制件和部分致密预制件的中央区域（例如内容积）。

在一些示例中，通道可以减少渗透在预制件或部分致密预制件中的致密剂例如沥青的氧化稳定所需的时间，可以增大稳定的致密剂的量，或这两者。通过改善致密剂稳定，本发明的技术还可以降低在随后的高温炉处理例如碳化期间致密剂从致密碳-碳预制件泄漏的可能性。沥青在熔炉中在高温下从预制件泄漏会引起致密碳-碳复合预制件中的裂缝，这降低或消除了其作为复合成品的有效性。

图1是流程图，示出根据本发明的形成碳化预制件的示例技术。将参照图2-7的概念图描述图1的技术，它们示出了在图1的技术期间多孔预制件20在不同步骤的不同视图。虽然在图2-7中描述了示例多孔预制件，但是，图1的技术能够用于其它类型的预制件（例如，其他形状和/或材料复合物），并且能够用于形成具有不同形状或材料复合物的部分致密预制件和致密复合材料。

图1的技术可以包括部分地致密多孔预制件20以形成部分致密预制件40（10）。例如，多孔预制件20（例如多孔碳纤维预制件），如图2和3中所示，可以部分地致密，使用化学气相沉淀（CVD）或化学气相渗透（CVI）以形成部分致密预制件40（见图4）。多孔预制件20可以包括多个纤维或其它材料，例如碳基纤维、碳纤维母体纤维、非碳基纤维或它们的混合物。在一些示例中，纤维可以是纺织或无纺分层材料。纤维还可以是被编织或混合在一起形成片。纤维或片材的多个不同层可以相互堆叠在另一个的顶部上，例如，形式为将被处理变成碳-碳复合部分的部分。在一些示例中，多个不同层的编织或混合纤维（或者，在一些示例中，其他材料）可以成型、针刺和/或以其它方式机械地连接在一起以限定出多孔预制件20。

图2是示例多孔预制件20的立体图。如图2所示，多孔预制件20可以具有大致圆盘形几何结构，从而，由多孔预制件20形成的碳-碳复合材料可以是大致圆盘形，例如，用作制动盘。在其它示例中，多孔预制件20可以限定出不同的几何结构。例如，多孔预制件20的几何结构可以类似于或大体上相同于由碳-碳复合材料形成的成品的期望几何结构。多孔预制件20包括圆盘形多孔体22，带有贯穿圆盘形多孔体22的轴向厚度的中央孔24。在一些示例中，多孔预制件20具有在孔24处的内径ID、在外缘表面26处的外径OD和轴向厚度T，轴向厚度的测量是在大体上垂直于测量内径ID和外径OD的方向的方向上。

圆盘形多孔体22限定出中央或内部部分25，在一些示例中，其在外缘表面26与孔24之间是大致等距的，并且在圆盘形多孔体22的顶面与底面之间是大致等距的。如本发明使用的，术语"内部部分"25可以大体上指的是本发明的任一示例预制件的预制件主体22内的几何居中区域，其中，该内部部分具有的体积是多孔预制件20的总体积的预定百分比，例如，在多孔预制件20的体积的约15%与约50%之间，例如，在多孔预制件20的体积的约20%与约30%之间。例如，内部部分38示为相对于图3中的多孔预制件，图4和5中的部分致密预制件40，图6中的渗透预制件50和图7中的至少部分稳定预制件60。

作为一个示例，对于大体环形预制件，例如图2中示出的示例多孔预制件20，预制件主体22的几何中心可以大体上是一个环，其在预制件主体22内大致沿轴向居中，例如，在厚度T内居中，并且，在预制体主体22内沿径向居中，例如，大体在内缘表面32处的内径ID与外缘表面26处的外径OD之间居中。举例来说，内部部分可以限定为在中心环的任一侧上的预制件主体22的半径的预定百分比，例如约半径的至少50%（例如，在中心环的任一侧上的中心环半径的至少约25%），或者半径的至少约20%（例如，在中心环的任一侧上的半径的至少10%）。在其它示例中，预制体主体2可以包括粘合、层叠或针刺在一起的多个纤维层，内部部分38可以包括在大体沿轴向居中层的任一侧上的多层的预定数量的内层。

图3是概念图，示出图2所示的示例多孔预制件20的横向剖视图，其沿多孔预制件20的直径截取。多孔预制件20的多孔主体22可以包括例如多个纤维28，其限定出多孔主体22内的多个气孔30。多孔体22的孔隙度延伸大体通过多孔主体22的厚度T。在一些示例中，纤维28可以通过粘合剂粘合在一起，纤维28可以形成为粘合或针刺在一起的多个纤维层（未示出），或者纤维28可以机械接合（例如使用针刺），而不是预先形成为单独的纤维层。纤维28和气孔30没有必要按比例示出，而是概念性地示出以说明本发明的各个方面。

如所描述的，图1的技术包括用一个或多个致密循环来部分地致密多孔预制件20以形成部分致密预制件40（10）。图4是示例部分致密预制件40的横向剖视图。例如，部分致密多孔预制件可以包括执行CVD/CVI致密循环，其可以沉淀碳层42在纤维28的表面上。在一些示例中，纤维28的表面上的碳层42可以提高多孔预制件20的机械强度，从而在预制件20的后续处理期间，多孔预制件20可以更不可能被压力损坏（例如分层）。在一些示例中，碳层42可以不必全部填充部分致密预制件40的气孔30，并且可以保留至少一些气孔30通向部分致密预制件40的外表面（例如，通向外缘表面26）。然而，在一些示例中，碳层42可以至少部分地封闭至少一些气孔30。

图1的示例技术进一步地包括在部分致密预制件40中形成多个通道48，从而，多个通道48的每一个通道通向部分致密预制件40的至少一个外表面（12）。图5是含有多个通道48的部分致密预制件40的横向剖视图。如图4和5所示，部分致密预制件40的外表面可以包括例如部分致密预制件40的顶面34、底面36、外缘表面26或内缘表面32。图中，多个通道48可以是或可以不是按比例绘制的。

通道48可以在部分致密预制件40中（例如，在由部分致密形成的碳纤维之间的多孔碳基体中）形成，通过例如钻孔或激光消融。在一些示例中，多个通道48的每个通道的长度在约0.25英寸与约0.75英寸之间。至少一些通道48的长度可以足够大以从部分致密预制件40延伸到部分致密预制件40的中央部（例如，图2中示出的内部部分25）。另外，在一些示例中，通道48可以是大致圆柱形的形状，直径小于约0.015英寸。

图1的技术还包括渗透致密剂52到形成在部分致密预制件40中的多个通道48的至少一些通道中以形成渗透预制件50（14），如图6所示。图6是含有渗透有致密剂52的多个通道48的示例部分致密预制件的横向剖视图。致密剂52可以包括，例如，沥青，例如中间相沥青。包含中间相沥青的示例致密剂包括煤焦油、原油或合成中间相沥青的至少一者。把致密剂52渗透到多个通道48的至少一些通道中（14）可以包括使用真空压力渗透（VPI）、高压浸渍/碳化（PIC）或树脂传递模塑（RTM）中的至少一者，以使致密剂52渗透到部分致密预制件40的孔隙度中。

在一些示例中，渗透致密剂52到形成在部分致密预制件40中的多个通道48的至少一些通道中（14）可以包括在更高温度下使用RTM。例如，渗透致密剂52可以包括使用RTM，同时在更高温度下加热致密剂52和/或预制件50以通过降低致密剂52的粘度帮助渗透，例如在约350摄氏度下使用RTM。在一些这样的示例中，在附加处理之前，渗透预制件50可以被冷却。例如，渗透预制件50可以被允许冷却到环境温度。在一些示例中，当渗透预制件50从渗透致密剂52的较高温度冷却到较低的环境温度时，致密剂52的体积会收缩，引起在致密剂52中形成裂缝。

图1的技术进一步地包括至少部分稳定致密剂52以形成至少部分稳定预制件60（16）。在一些示例中，稳定致密剂52（16）可以包括在第一温度下加热渗透预制件50，从而布置在多个通道48的至少一些通道中的致密剂52可以收缩形成多个互连的裂缝54，并且暴露渗透预制件50到氧化剂。氧化剂可以包括例如来自大气的氧气或来自臭氧的引入。在一些示例中，在第一温度下加热可以包括在约170摄氏度与约200摄氏度之间的温度下加热渗透预制件50，例如在约170摄氏度下加热渗透预制件50。在这个范围内的第一温度下的致密剂52（例如沥青）的氧化稳定可以增大渗透预制件50在形成至少部分稳定预制件60的致密和/或重量增益。加热渗透预制件50的温度可以改变，取决于致密剂的成分或所选择的沥青材料。

当在第一温度下加热时，致密剂52例如中间相沥青的体积会收缩，导致小的互连裂缝54形成在致密剂52中，包括布置在通道48中的致密剂52。图7是至少部分稳定预制件60的横向剖视图，示出多个互连裂缝54。这多个互连裂缝54的每个裂缝可以连接或不连接到这多个互连裂缝54的其它裂缝。图7中，多个互连裂缝54可以按或不按比例绘制。如图7所示，在一些示例中，这多个互连裂缝54的至少一些裂缝通向至少部分稳定预制件60的至少一个外表面。例如，这多个互连裂缝的至少一些裂缝通向至少部分稳定预制件60的顶面34、底面36、内缘表面32或外缘表面26的至少一者，如图7所示。

在第一温度下加热的同时，布置在渗透预制件50中的致密剂52还可以暴露于氧化剂例如空气或氧气，这可以进一步地稳定致密剂52，通过例如分散在整个致密剂中的聚合体链的交联。致密剂52的链、化合物和/或分子可以通过暴露于空气或氧气而稳定。暴露于氧化剂可以促使致密剂52的成分起反应以形成更高度交联或固化的相，相比于稳定之前的更无定形或粘的相。例如，中间相沥青可以通过下述方式得以稳定，使中间相沥青与氧气起反应以固化中间相沥青，将热塑性中间相沥青转变成热固性中间相沥青。

在部分致密预制件40中形成多个通道48可以在后续处理步骤期间促进流体往返于预制件的进出。例如，通道48可以在稳定渗透预制件50的致密剂52（16）期间提高氧化剂（例如氧气)扩散到渗透预制件50的内部部分中的能力。布置在渗透预制件50的孔隙和通道48中的致密剂52的裂缝可以允许氧化剂更容易且快速地扩散到且通过渗透预制件50的内部部分且由此交联或固化氧气与其接触的致密剂52。

例如，对于具有大尺寸的预制件来说，在沥青致密预制件的处理期间的沥青的氧稳定能够花费数个星期（例如，多达8个星期）。氧稳定步骤的持续时间会受到沥青的低孔隙度和相对小的气孔的影响，这会阻碍或大体上阻止氧在预制件内部部分中的扩散。在一些示例中，当认为完成了沥青稳定时，还没有完全稳定的沥青仍然困在预制件的中央区域或内部部分中并且在后续处理步骤包括沥青的高温碳化期间可能渗漏。本发明提供技术，其通过允许氧化剂或其它稳定流体进入的开式通道48促进更多气体扩散通过预制件。例如，当使渗透预制件50暴露于氧化剂时，氧化剂会经由形成在布置于通道48中的沥青中的多个裂缝54中的至少一些裂缝扩散通过渗透预制件50的大致全部（例如，全部或几乎全部），使得氧化剂可以更容易扩散到渗透预制件50的内部部分38中，相比较于不含有通道48的渗透预制件而言。氧化剂还会经由留下的气孔30、通道48或例如保留在致密剂52中的其他孔隙扩散通过渗透预制件50。在一些情况下，在没有孔隙度增强的预制件（例如，包括本文所描述的多个通道48的预制件）的情况下，可能难以使氧化剂到达并氧化已经渗入预制件的内部部分38中的沥青或酚材料。

在一些示例中，通道48的敞开还允许在部分致密预制件、渗透预制件或部分稳定预制件的处理期间产生的气体或其它挥发物出去，如本文所述。例如，渗入预制件中的稳定沥青碳化时由夹带气体或其它挥发物所产生的压力会引起对预制件的损坏，包括线性裂缝。在预制件中形成通道48可以减少或大体上防止在碳化处理期间预制件的开裂或水汽或其他气体从预制件内起泡。

在一些示例中，通道48会减少渗入预制件中的致密剂52的氧化稳定所需的时间。例如，在渗透预制件50中形成通道48会减少氧化稳定的时间，可减少为约20-25天。在一些示例中，通道48会引起渗透预制件50的中央部中的沥青的稳定性提高，这会降低在随后的高温熔炉处理期间致密剂52从至少部分稳定预制件60泄漏的可能性。沥青在熔炉中在高温下从预制件泄漏可以引起致密碳-碳复合预制件中的线性裂缝，其降低或消除了其作为复合成品的有效性。使用所描述的技术，还可以增大预制件和复合部件中的最终碳含量产率。

图1的技术进一步可包括在第二温度下加热至少部分稳定预制件60以碳化至少稳定致密剂52而形成碳化预制件（18）。在一些示例中，第二温度可以在约650摄氏度与约900摄氏度之间。这个温度可以变化，取决于稳定致密剂52的含量和/或包含在至少部分稳定预制件60中的纤维的含量（例如碳纤维母体纤维或碳纤维）。碳化至少稳定致密剂52以形成碳化预制件可包括，例如，在第二温度下加热稳定中间相沥青以将稳定中间相沥青中的碳母体转变成碳，并且进一步地加强多个纤维28例如碳纤维之间的碳基体。在其它示例中，多孔预制件20（和部分稳定预制件60，根据图1的技术）可以包括碳纤维母体纤维（例如，聚丙烯腈（PAN）纤维），其在第二温度下加热时也可以被碳化。

在一些示例中，虽然图1中未示出，碳化预制件可以进一步地致密。例如，碳化预制件可以进一步地致密，使用CVD或CVI中的至少一者，以形成碳-碳复合材料或部件。替代地或附加地，碳化预制件可以通过浸渍酚醛树脂或糠醇中的至少一者在碳化预制件的剩余孔隙度中而得以进一步地致密，然后碳化酚醛树脂或糠醇中的至少一者。酚醛树脂或糠醇可以被浸渍到碳化预制件中，例如通过VPI、PIC或RTM。

在一些示例中，图1的技术的某些步骤可以以不同顺序执行。例如，在预制件中形成多个通道48之前，部分致密预制件40（图4）可以渗透有致密剂52。图8是流程图，示出根据这个替代技术形成碳化预制件的另一示例技术。图8的技术的步骤可以类似于或相同于图1的技术的步骤，除了，如所提到的，图8的技术包括在预制件中形成通道48之前渗透致密剂52到部分致密预制件40内。

图8的技术可以包括渗透致密剂52到部分致密预制件40内的多个气孔中的至少一些气孔内（70）。例如，布置在部分致密预制件40的多个纤维28之间且连接它们的碳基体可以是多孔的，并且，中间相沥青可以渗入那些气孔。在一些示例中（图8中未示出），在渗透致密剂52之前，技术还可以包括使用化学气相沉淀（CVD）或化学气相渗透（CVI)的至少一者来部分地致密多孔预制件20以形成部分致密预制件40。

图8的技术还包括在渗透预制件中形成多个通道48，从而多个通道48中的每一个通道通向渗透预制件50的至少一个外表面（72）。在一些示例中，在渗透预制件中形成通道48可以包括机械地开通道，通过例如使用钻孔或激光烧蚀。当多个通道48形成在已经渗透有致密剂52的渗透预制件中时，通道48可提供路径供氧化剂流入渗透预制件的中央或内部部分。

图8的技术进一步地包括至少部分地稳定至少致密剂52以形成至少部分稳定预制件（74）。在一些示例中，稳定至少致密剂52（74）可包括在第一温度下加热含有多个通道48的渗透预制件，如上所述。稳定至少致密剂52（74）还可包括暴露含有多个通道48的渗透预制件于氧化剂。类似于或相同于图1的技术，图8的技术还可以包括在第二温度下加热至少部分稳定预制件以碳化至少稳定致密剂52而形成碳（76）。在这个技术中，第一温度可以在约170摄氏度与约200摄氏度之间（例如约170摄氏度），并且第二温度可以在约650摄氏度与约900摄氏度之间。

已经描述了不同的示例。这些及其它示例在下列权利要求的范围内。

Claims (11)

1.一种方法，包括：

部分地致密多孔预制件以形成部分致密预制件；

在该部分致密预制件中形成多个通道，其中，该多个通道中的每一个通道通向该部分致密预制件的至少一个外表面并限定小于0.015英寸的直径；

渗透致密剂到形成在该部分致密预制件中的多个通道的至少一些通道内以形成渗透预制件；

将该渗透预制件冷却到环境温度以使所述致密剂的体积收缩，引起在所述致密剂中形成裂缝；

通过至少下述来至少部分地稳定该致密剂以形成至少部分稳定预制件：

在第一温度下加热该渗透预制件，使得布置在该至少一些通道中的致密剂收缩以形成多个互连裂缝，和

使该渗透预制件暴露于氧化剂，使得该氧化剂至少经由该多个互连裂缝的至少一些穿过该渗透预制件的内部部分；和

在第二温度下加热该至少部分稳定预制件以碳化至少该稳定致密剂以形成碳化预制件。

2.如权利要求1所述的方法，其中，形成该多个通道包括钻孔或使用激光烧蚀中的至少一者，并且其中，该多个通道的每一个通道的长度在0.25英寸与0.75英寸之间。

3.如权利要求1所述的方法，其中，该致密剂包括中间相沥青。

4.如权利要求1所述的方法，其中，该致密剂包括煤焦油、原油或合成沥青中的至少一种。

5.如权利要求1所述的方法，其中，该第一温度在170摄氏度与200摄氏度之间，该第二温度在650摄氏度与900摄氏度之间。

6.如权利要求1所述的方法，进一步地包括，在形成碳化预制件之后，通过下述进一步地致密该碳化预制件：

浸渍酚醛树脂或糠醇的至少一者到碳化预制件的剩余孔隙中；和

碳化该酚醛树脂或糠醇的至少一者。

7.一种方法，包括：

渗透致密剂到部分致密预制件的多个气孔中的至少一些气孔中以形成渗透预制件；

将该渗透预制件冷却到环境温度以使所述致密剂的体积收缩，引起在所述致密剂中形成裂缝；

至少部分地在该渗透预制件的致密剂中形成多个通道，使得该多个通道的每一个通道通向该渗透预制件的至少一个外表面并限定小于0.015英寸的直径；

通过至少下述来至少部分地稳定至少该致密剂以形成至少部分稳定预制件：

在第一温度下加热包含多个通道的渗透预制件，和

使该包含多个通道的渗透预制件暴露于氧化剂以稳定至少该致密剂并形成至少部分稳定预制件；

在第二温度下加热该至少部分稳定预制件以至少碳化该稳定致密剂以形成碳化预制件。

8.如权利要求7所述的方法，其中，形成该多个通道包括钻孔或使用激光烧蚀中的至少一者。

9.如权利要求7所述的方法，其中，该第一温度在170摄氏度与200摄氏度之间，该第二温度在650摄氏度与900摄氏度之间。

10.如权利要求7所述的方法，其中，该致密剂包括中间相沥青。

11.一种通过权利要求1至10中任一项所述的方法制成的部分致密预制件。

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