CN106142384B

CN106142384B - 碳纤维预制件

Info

Publication number: CN106142384B
Application number: CN201610312214.1A
Authority: CN
Inventors: S.T.弗里斯卡; M.拉富里斯特
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2015-05-13
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2021-01-01
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: EP3093126B1; CN106142384A; US20160332372A1; EP3093126A1

Abstract

在一些示例中，一种用于形成碳纤维预制件的方法包括：将复合材料沉积在基底上以形成复合材料的第一层，其中复合材料包括混合在树脂基体材料中的碳加强材料；以及将复合材料沉积在第一层上以形成第二层，其中碳纤维预制件包括复合材料的第一层和复合材料的第二层，并且包括碳加强材料和树脂基体材料。

Description

碳纤维预制件

技术领域

本公开涉及碳纤维预制件，例如，用于形成碳碳复合材料。

背景技术

碳纤维加强的碳材料，也称为碳碳（C-C）复合材料，是在碳材料的基体中包括加强的碳纤维的复合材料。碳碳复合材料可以使用在许多高温应用中。例如，航天航空工业用使用C-C复合材料作为摩擦材料（诸如制动摩擦材料）用于商业以及军用飞机。

发明内容

描述了用于形成碳纤维预制件的设备、系统和技术。还描述了由这些技术产生的示例性碳纤维预制件和碳碳复合部件。在一些示例中，碳纤维预制件可以包括多个单独层，每个层包括树脂材料和碳纤维。单独层可以通过使用三维打印系统沉积树脂材料和碳纤维而在逐层的基础上形成上。总之，单独层可以形成具有希望几何形状的碳纤维预制件。例如，单独层可以被堆叠以限定碳纤维预制件。

在一些示例中，碳纤维预制件可以包括由包括在树脂基体材料（例如沥青）中的多个碳纤维的复合材料形成的多个层。多层碳纤维预制件可以通过添加制造过程（例如三维打印）来形成，在该过程中单独层被三维地顺序地在逐层的基础上形成，以生成具有希望几何形状的预制件。例如，单独层可以经由三维打印系统的打印头通过沉积熔化的复合材料而形成。熔化的复合材料固化以形成相应的复合材料层。另外的熔化的复合材料可以被沉积在已形成的层上以形成另外的复合材料层。过程可以被重复并且在该过程期间打印头所处的三维位置可以在自动控制之下以使得熔化的复合材料被沉积的位置可以被控制以限定具有希望的三维形状的多层碳纤维预制件。随后碳纤维预制件被碳化并密实以产生密实的碳碳复合材料，诸如像碳制动盘。

在其他示例中，碳纤维预制件可以包括各自通过沉积各自涂覆有树脂的多个碳纤维而形成的多个层。多层碳纤维预制件可以通过添加制造过程（例如三维打印）形成，在该过程中材料被以全部三维地例如在逐层的基础上顺序地沉积以生成由所沉积的材料的组合限定的具有希望的三维的形状和几何形状的整体预制件。例如，单独层可以通过沉积各自涂覆有树脂的多个单独碳纤维、随后将各自涂覆有树脂的另外的单独碳纤维沉积在相应的层上以形成另外的复合材料层而形成。过程可以被重复并且在过程期间打印头所处的三维位置可以在自动控制下以使得制成具有希望的三维形状的多层碳纤维预制件。随后可以将碳纤维预制件碳化并密实以生成密实的碳碳复合材料，诸如像碳制动盘。

在一个方面中，本公开指向一种用于形成碳纤维预制件的方法。方法包括将复合材料沉积在基底上以形成复合材料的第一层，其中复合材料包括混合在树脂基体材料中的多个碳纤维；以及将复合材料沉积在第一层上以在第一层上形成第二层，其中碳纤维预制件包括复合材料的第一层和复合材料的第二层，并且包括多个碳纤维和树脂基体材料。

在另一个方面中，本公开指向一种碳纤维预制件，其包括各自由沉积复合材料以限定相应层而形成的多个层，其中复合材料包括混合在树脂基体材料中的多个碳纤维，其中多个层包括复合材料的第一层和在第一层上的复合材料的第二层。

在另一个方面中，本公开指向一种密实的碳碳复合材料，包括密实的碳纤维预制件，其中碳纤维预制件包括各自由沉积复合材料以限定相应层而形成的多个层，其中复合材料包括混合在树脂基体材料中的多个碳纤维，其中多个层包括复合材料的第一层和在第一层上的复合材料的第二层。

在另一个方面中，本公开指向用于形成碳纤维预制件的方法，方法包括通过三维打印系统的打印头将第一多个涂覆的碳纤维沉积在基底上以在基底上形成第一层，其中第一多个涂覆的碳纤维中的每个碳纤维包括涂覆有树脂的碳纤维；以及通过三维打印系统的打印头将第二多个涂覆的碳纤维沉积在第一层上在第一层上形成第二层，其中第二多个涂覆的碳纤维中的每个碳纤维包括涂覆有树脂的碳纤维，并且其中碳纤维预制件包括涂覆的碳纤维的第一层和涂覆的碳纤维的第二层。

在另一个方面中，本公开指向包括多个堆叠的层的碳纤维预制件，多个堆叠的层包括通过三维打印系统的打印头沉积第一多个涂覆的碳纤维而形成的第一层，以及第二层，通过经由三维打印系统的打印头在第一层上沉积第二多个涂覆的碳纤维以在第一层上形成第二层而形成，其中第一多个和第二多个涂覆的碳纤维中的每个碳纤维包括涂覆有树脂的碳纤维。

在另一个方面中，本公开指向包括密实碳纤维预制件的密实的碳碳复合材料，其中碳纤维预制件包括多个堆叠的层，多个层包括通过经由三维打印系统的打印头沉积第一多个涂覆的碳纤维而形成的第一层，以及第二层，通过经由三维打印系统的打印头在第一层上沉积第二多个涂覆的碳纤维以在第一层上形成第二层而形成，其中第一多个和第二多个涂覆的碳纤维中的每个碳纤维包括涂覆有树脂的碳纤维。

一个或多个示例的细节在附图中和下面的描述中阐述。本公开的其他特征、目的和优点根据描述和附图以及根据权利要求是显而易见的。

附图说明

图1是示出示例性的飞机制动组件的示意性结构图。

图2-4是示出根据本公开的各方面的示例性碳纤维预制件的概念图。

图5是示出可以用于制造图2-4的示例性预制件的示例性三维打印系统的示意图。

图6是示出形成示例性碳纤维预制件和由碳纤维预制件形成的密实的碳碳复合材料的示例性方法的流程图。

图7是示出可以用于制造图2-4的示例性预制件的另一个示例性三维打印系统的示意图。

图8是示出可以用于图7的三维打印系统的示例性拉挤模块的示意图。

图9是示出形成碳纤维预制件和由预制件形成的密实的碳碳复合材料的另一个示例性方法的流程图。

具体实施方式

本文描述了用于形成碳纤维预制件的示例性技术，以及由碳纤维预制件形成的碳碳复合材料和结构。用于例如航天航空应用（诸如制动盘）中密实的C-C复合材料可以由已使用多种密实化技术密实的碳纤维预制件形成。例如，碳纤维预制件可以通过层叠由纺织或无纺碳纤维形成的织物薄片来形成，其随后可以通过使用真空压力浸透（VPI）用液态沥青浸透预制件和/或树脂传递成型（RTM），随后进行沥青的碳化以实现显示希望的最终密度的C-C复合材料。附加地或可选地，化学气相渗透（CVI）或化学气相沉积（CVD）可以用于使织物预制件或另外的碳预制件密实。在飞机制动片的情况下，在一些示例中，碳化的预制件可以采用环形圈的形式，尽管也可以使用其他形状。

根据本公开的一个或多个示例，碳纤维预制件可以包括由碳纤维和树脂形成的多个层。在一个示例中，多个层可以通过顺序地经由添加制造过程沉积包括树脂基体材料中的多个碳纤维的复合材料而形成。例如，碳纤维预制件可以包括多个层，其中每个层通过经由三维打印系统的打印头将复合材料沉积到基底或之前形成的层上而形成。在该过程期间，打印头的位置可以在三维空间内受到控制，以使得层被三维地顺序地形成以限定具有希望的几何形状的碳纤维预制件。

在一些示例中，单独层可以通过经由打印头沉积熔化状态的复合材料（熔化的复合材料）而形成，接着其固化以形成相应的层，随后在相应的层上沉积另外的熔化的复合材料以形成另外的层。过程可以被重复并且在过程期间打印头所处的三维位置可以在由三维打印系统的控制器的自动的控制下，以使得制出具有希望的三维几何形状的多层碳纤维预制件。碳纤维预制件接着可以被碳化并且被密实以生成密实的碳碳复合材料，例如像碳制动盘。

在其他示例中，碳纤维预制件的单独层可以通过经由三维打印系统的打印头沉积各自涂覆有树脂的多个单独碳纤维而形成，而不是沉积包括混合在树脂材料中的碳纤维的复合材料。在一些示例中，三维打印系统可以使用拉挤过程以用树脂涂覆基本连续的（例如连续的）碳纤维丝并且随后将涂覆的丝切割成涂覆有树脂的单独碳纤维。在一些示例中，基本连续的（例如连续的）碳纤维可以是碳纤维的单独丝或碳纤维的丝束。单独涂覆的碳纤维可以接着通过三维打印系统的打印头沉积。此外，过程可以被重复并且打印头所处的三维位置在过程期间可以在自动控制下以使得制出具有希望的三维几何形状的多层碳纤维预制件。碳纤维预制件随后可以被碳化并被密实以生成密实的碳碳复合材料，诸如像碳制动盘。

本公开的示例可以允许一个或多个优点。例如，通过利用三维打印过程以通过沉积碳纤维和树脂材料而形成碳纤维预制件，与其他现有的技术（诸如像层叠织物段随后将层叠的织物段树脂密实化）相比，碳纤维预制件可以在横跨预制件的体积上被制造具有性质（诸如像成分）的提高的控制（例如均匀性）。作为另一个示例，三维打印过程可以允许对预制件中碳纤维的定向的提高的控制，以使得预制件的密实化被提高，并且利用树脂（诸如像沥青），可以获得密实的最终纤维基体，这可以提高用于氧化稳定化的周期时间。

图1是示出示例性组件10的概念图，其可以包括根据本公开的技术形成的一个或多个碳碳复合材料部件。为了易于描述，本公开的示例将主要关于由碳碳复合材料形成的飞机制动盘进行描述。但是本公开的碳碳复合材料和碳纤维预制件可以用于形成除飞机制动盘以外的部件。例如碳碳复合材料可以用于其他类型的制动应用中的摩擦材料，以及在其他应用中，诸如像热交换器和隔热罩。

在图1的示例中，飞机制动组件10包括轮12、致动器组件14、制动叠层组件16和轴18。轮12包括轮毂20、轮外伸架凸缘22、胎圈密封胶24A和24B、长平头螺栓26和四方螺帽28。致动器组件14包括致动器壳体30、致动器壳体螺栓32以及撞击件34。制动叠层组件16包括交替的转子盘36和定子盘38；转子盘36被构造成相对于定子盘38移动。转子盘36通过梁式键40被安装至轮12，并且特别是安装至轮毂20。定子盘38通过花键44连接至轴18，并且特别是安装至扭矩管42。轮组件10可以支撑任何种类的私人、商业或军用飞机。

轮组件10包括轮18，在图1的示例中，其由轮毂20和轮外伸架凸缘22限定。轮外伸架凸缘22通过长平头螺栓26和四方螺帽28机械地固定至轮毂20。轮12限定胎圈密封胶24A和24B。在组装期间，可充气轮胎（未示出）可以放置在轮毂20之上并且由轮外伸架凸缘22固定在相对侧上。之后，四方螺帽28可以被紧固在长平头螺栓26上，并且可充气轮胎可以与胎圈密封胶24A和24B一起膨胀，从而提供可充气轮胎的不透气的密封。

轮组件10可以通过扭矩管42和轴18安装至飞机。在图1的示例中，扭矩管42通过多个螺栓46固定至轴18。扭矩管42支撑致动器组件14和定子38。轴18可以安装至起落架(未示出)的支柱上以将轮组件10连接至飞机。

在飞机的操作期间，制动可能不时地是必要的，诸如在着陆和滑行期间。轮组件10被构造成通过致动器组件14和制动叠层组件16提供对飞机的制动功能。致动器组件14包括致动器壳体30和撞击件34。致动器组件14可以包括不同种类的致动器，诸如像机电致动器、液压致动器、气动致动器或类似致动器中的一个或多个。在操作期间，撞击件34可以从致动器壳体30延伸离开以轴向地将制动叠层组件16压缩在压缩点48上以用于制动。

制动叠层组件16包括交替的转子盘36和定子盘38。转子盘36通过梁式键40安装至轮毂20以共同旋转。定子盘38通过花键44安装至扭矩管42。在图1的示例中，制动叠层组件16包括四个转子和五个定子。但是在其他示例中在制动叠层组件16中可以包括不同数量的转子和/或定子。而且，转子和定子的相对位置可以是相反的，例如，使得转子盘36安装至扭矩管42并且定子盘38安装至轮毂20。

转子盘36和定子盘38可以提供相对摩擦表面用于制动飞机。由于移动的飞机的动能转变成制动叠层组件16中的热能，所以制动叠层组件16中的温度可以快速升高例如超过200摄氏度。对于一些飞机，紧急制动（例如中断起飞）可以导致温度超过500摄氏度，并且在一些情况下甚至超过800摄氏度。这样，形成制动叠层组件16的转子盘36和定子盘38可以包括能够在这些温度下操作的坚固的热稳定的材料。

在一个示例中，转子盘36和/或定子盘38可以由根据本公开的一个或多个示例性技术（例如关于图2描述的技术）制造的碳碳复合材料形成。特别地，至少一个转子盘36和/或至少一个定子盘38可以由通过本公开的一个或多个示例性技术生成的碳纤维预制件制造的密实的碳碳材料形成。转子盘36和定子盘38可以由相同材料或不同材料形成。例如，轮组件10可以包括金属转子盘36和碳碳复合定子盘38，或反之亦然。而且，转子盘36中的每个盘和/或定子盘38中的每个盘可以由相同的材料形成，或者转子盘36和/或定子盘38中的至少一个盘可以由与转子盘36和/或定子盘38中的至少另一个盘不同的材料形成。

如简单提到的，在一些示例中，转子盘36和定子盘38可以分别通过梁式键40和花键44安装在轮组件10中。在一些示例中，梁式键40可以围绕轮毂20的内部在周向上间隔开。梁式键40可以例如成形成具有相对端部（例如矩形的相对侧）并且可以使一个端部机械地固定至轮毂20的内部并且使相对的端部机械地固定至轮毂20的外部。梁式键40可以与轮毂20整体地形成或可以与轮毂20分离并机械地固定至轮毂20，例如以提供转子盘36和轮毂20之间的热屏障。朝向那个端部，在不同的示例中，轮组件10可以包括热罩（未示出），热罩围绕制动叠层组件16径向并向外地延伸出例如以限制制动叠层组件16和轮12之间的热转移。

在一些示例中，花键44可以围绕扭矩管42的外部周向地间隔开。花键44可以例如与扭矩管42整体地形成，或可以与扭矩管42分离并机械地固定至扭矩管42。在一些示例中，花健44可以在扭矩管42上限定横向的凹槽。这样，定子盘38可以包括构造成能被插入花键内的多个径向向内设置的凹口。

因为梁式键40和花键44可以分别与转子盘36和定子盘38热接触，所以梁式键40和/或花键44可以由包括例如关于转子盘36和定子盘38的上述那些材料的热稳定材料制成。因此，在一些示例中，本公开的示例性技术可以用于形成用于轮组件10的梁式键和/或花键。

图1中示出的示例性组件10仅是一个示例。在其他示例中，组件10和组件10的部件（例如轮10、致动器组件14、制动叠层组件16和轴18）可以具有另外的适合构造。此外，在其他示例中，由示例性碳纤维预制件产生的本文描述的碳碳复合材料可以用于形成其他结构，除了（或替代）盘36、38、键40和花键44中的一个或多个。

图2是示出根据本公开各方面的示例性碳纤维预制件50的概念图。如所示出的，预制件50是具有内直径（ID）、外直径（OD）和沿z轴方向的厚度（T）（为了易于描述在图2中示出正交的x-y-z轴）的环形圈。碳纤维预制件50由复合材料52形成，并包括通过沉积复合材料52形成的多个单独层（在图2中未示出），复合材料包括混合在树脂基体材料中的碳纤维、涂覆有树脂基体材料（在本文中也称为树脂）的碳纤维或两者。为了易于描述，复合材料将主要描述为在树脂基体材料中的碳纤维。

图3是示出沿图2所示的截面A-A取得的预制件50的示意图。如所示出的，预制件50包括多个单独层54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n，其中n是在z轴方向上单独层的总数量。层总体上将被称为层54。总共地，这些单独层限定了在z轴方向上预制件50的厚度T。各个单独层由在树脂基体材料55中的多个碳纤维53形成。单独层54的厚度可以取决于用于给定应用的复合材料的设计意图。在一些示例中，单独层的厚度可以在大约20密耳（大约0.635毫米（mm））和大约125密耳（大约3.175mm）之间，尽管可预期其他厚度。在一些示例中，预制件50的总厚度T可以在大约0.5英寸（大约1.27厘米（cm））至大约2.5英寸（大约6.35cm）之间，尽管可预期其他厚度。

图4是示出沿x方向的预制件50的层54X₄的截面的示意图，其表示预制件50的相应的单独层54的每个的构造。如所示出的，层54X₄包括在x轴方向上并排对齐的多个单独行56X₁、56X₂、56X₃、56X₄、…和56X_y，其中y是在x轴方向上单独行的总数量。此外，每个单独行56由通过三维打印系统的打印头沉积的在树脂基体材料55中的多个碳纤维53形成。行56组合以在x-y平面内形成层54X₄，其还包括z轴方向上的厚度。

行56可以任何适合的构造沉积以在x-y平面内形成层54X₄。例如，行56可以是以网格图案形成的直线形的行、例如从预制件50的ID到OD的同心圆或例如从预制件50的ID到OD的螺旋图案（与同心圆的图案相比这可以允许复合材料52连续的沉积）。单独行56可以具有任何合适的宽度和截面形状，这两者可以取决于3D打印头的设计并且可以基于由预制件形成的复合材料的设计意图进行选择。在一些示例中，单独行可以具有基本圆形、椭圆形、矩形、三角形或其他适当成形的截面并且可以具有大约5/16英寸（大约7.9375毫米（mm））至大约1/8英寸（大约3.175mm）的宽度。

如所描述的，复合材料52可以包括混合在树脂基体材料55中的多个碳纤维53。可以使用任何适合的碳纤维，诸如像聚丙烯腈（PAN）纤维、沥青纤维、氧化的PAN、源自PAN 的碳纤维、源自沥青的碳纤维、人造纤维丝等。碳纤维可以在成品的复合材料中提供结构强度。碳纤维可以是单独丝或碳纤维丝束。纤维和纤维丝束的长度可以从0.1”至基本连续（例如连续的）变化。每个碳丝的直径可以小于或等于例如约20微米。在一些示例中，纤维的长度可以沿预制件的厚度T变化。例如，预制件50的外表面附近的纤维可以各自具有大约0.25英寸（大约6.35mm）的长度而预制件50的几何中部附近的纤维可以具有大约3英寸（大约7.62cm）或更小的长度。

可以使用用于形成预制件50的任何适合的树脂基体材料。例如，树脂基体材料55可以是可碳化的树脂或沥青材料以使得在碳化过程期间碳由树脂形成。示例性树脂基体材料包括但不限于合成纤维、煤焦油、石油的各向同性和中间相沥青、酚醛树脂、环氧树脂或其他产碳树脂。

在一些示例中，树脂基体材料55可以包括沥青。沥青可以是富碳氢化合物材料，其可以例如从煤、焦油以及石油中提取。在一些示例中，沥青还可以合成地生产。在不同的示例中，沥青可以来自于单个源（例如煤）或可以是来自不同源的不同沥青的组合。在一些示例中，沥青可以是中间相沥青。在其他示例中，沥青可以是各向同性沥青。也可预期中间相和各向同性沥青的组合。

被沉积以形成预制件的复合材料52可以包括任何合适数量的碳纤维53和树脂基体材料55，例如其允许复合材料52如本文所述地起作用。在一些示例中，复合材料可以包括大约45%至大约85%重量百分比（wt%）的碳纤维53，诸如像大约50wt%或大约80 wt%、大约80wt%至大约85 wt%或大约45 wt%至大约50 wt%。复合材料52可以包括大约15 wt%至大约55wt%的树脂基体材料55，诸如像大约20 wt%至大约50 wt%、大约15 wt%至大约20 wt%或大约50 wt%至大约55 wt%的树脂基体材料55，其中复合物的余量可以包括、包含或基本包含碳纤维53。在一些示例中，碳纤维53和树脂基体材料55可以呈现碳纤维53与树脂基体材料55大约50/50的比率。在一些示例中，复合材料52可以包括包括、包含或基本包含碳纤维53和树脂基体材料55。在一些示例中，增加纤维的量可以提供由预制件50形成的更强的碳碳复合材料，而增加树脂的量可以提供由预制件50形成的更密实的碳碳复合材料。

各个单独层54和组成预制件50的各个单独层54的单独行56可以通过任何合适的添加制造过程形成。在一些示例中，在该过程期间，单独层54和单独行56可以三维地顺序地形成以生成具有希望形状的预制件50，如图2中所示的具有厚度（T）的环形圈。在一些示例中，预制件可以具有约4英寸（约10.16cm）至约18英寸（约45.72cm）的内直径（ID），以及约10英寸（约25.4cm）至30英寸（约76.2cm）的外直径（OD）和约0.5英寸（约1.27cm）至约2.5英寸（约6.35cm）的厚度（T）。其他范围和几何形状是可预期的。

图5是示出示例性三维打印系统60的示意图，其可被使用例如以通过添加制造过程形成预制件50。可以使用构造成使用添加制造技术沉积复合材料52以形成预制件50的任何合适的系统。为了易于描述，系统60依照挤压沉积系统进行描述。但是可预期用于形成预制件50的其他系统。

如所示出的，系统60包括复合材料进料器62，复合材料进料器被构造成以批量的形式向挤压机64输送包括树脂基体材料55中的碳纤维53的复合材料52。例如，复合材料52可以是预制的复合材料52的预制小球或螺旋环的形式。复合材料52可以由挤压机64加热至以允许加热的材料流出由可移动打印头68限定的一个或多个出口的方式熔化复合材料52的温度（例如加热至液态或以其他方式软化复合材料52）。流出打印头68的材料可以例如直接沉积在工作表面66上，或者间接地沉积到之前沉积的复合材料52的一层或多层上。沉积的材料可以允许被冷却以形成复合材料的固体层，并且过程可以通过调整打印头68在工作表面66之上的三维位置而被重复，工作表面66在整个三维打印过程中支撑沉积的层。复合材料52可以通过打印头68在打印过程期间在连续或不连续的基础上沉积。在一些示例中，熔化和挤压步骤可以在十字头挤压系统中执行。

在图5示出的示例中，系统60包括控制器70，其可在添加制造过程期间控制系统60的操作以提供具有希望几何形状的预制件50。例如，在沉积期间，控制器70可以控制附接至可移动打印头68的操纵臂72的移动，以控制可移动打印头68相对于工作表面66的位置。以此方式，控制器70可以控制可移动打印头68相对于排出打印头68的复合材料52的相对位置以例如通过沉积复合材料的单独行56而形成预制件50的单独层54，以使得预制件50展示希望的三维几何形状。步进电动机或伺服电动机可以用于移动打印头68并调整复合材料52流出打印头68的流动。控制器70可以被构造以控制操纵臂72的位置以在x轴和y轴方向并且在一些示例中在z轴方向上移动打印头68。此外，控制器70可以控制添加沉积过程的一个或多个其他因素，诸如像在系统60内的又一个位置处的复合材料52的温度、从进料器62向挤压器64输送复合材料的定时、打印头68的位置和/或树脂从打印头68流出的流速。

在一些示例中，控制器70可以包括能够响应于接收到的和/或储存的数据而执行和/或输出命令信号的一个微处理器或多个微处理器。控制器70可以包括一个或多个处理器，包括一个或多个微处理器、数据信号处理器（DSP）、特定应用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列(FPGA)或任意其他等效的集成或分立的逻辑电路以及这些部件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路”可以总体上指前述逻辑电路单独或与其他逻辑电路组合的任一个，或者任意其他等效电路。控制器70可以包括计算机可读存储器，诸如只读存储器（ROM）、随机存取存储器（RAM）和/或快闪存储器，或用于运行应用程序和处理数据以控制与系统60相关的操作的任何其他部件。因此，在一些示例中，控制器70可以包括存储作为一个或多个存储器、存储设备和/微处理器中的硬件、软件和/或固件的指令和/或数据。在一些示例中，控制器可以使用在微控制器上运行的计算机辅助制造（CAM）软件包控制打印头68。控制器60可以包括多个控制器或仅包括单个控制器。

图6是示出根据本公开的各方面的形成预制件50并随后由预制件50形成密实的碳碳复合材料的示例性技术的流程图。为了易于说明，图6的示例描述为通过图5的系统60执行。但是，可预期适合用于执行碳预制件50的添加制造的其他系统。

如所示出的，在控制器70的控制下，系统60可以使得包括混合在树脂基体材料55中的碳纤维53的批量复合材料52由挤压机64加热以将复合材料例如熔化到复合材料52可以流出打印头68的状态（80）。开始，打印头68沉积复合材料以在工作表面66上形成复合材料的第一层例如层54X₁（82）。该过程可以包括形成单独行（例如对应于图4中示出的用于层54X₄的行56）以在x-y平面内形成复合材料的层54X₄。控制器70可以在整个过程中控制打印头68的位置以提供希望的层的几何形状。

在复合材料52的层56X₁已冷却从而固化层之后，在控制器70的控制下，打印头68沉积复合材料52以在第一层54X₁上形成复合材料52的第二层（层54X₂）（84）。此过程更多地被重复以形成预制件50的层54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n（86）。此外，控制器70可以在整个沉积过程中控制打印头68尤其是在三维中的位置，以使得复合材料52的层54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n的组合形成具有希望的三维几何形状的预制件50。

随后，可以通过将预制件50的温度加热至大约550摄氏度至大约2450摄氏度而碳化多层碳纤维预制件50。在碳化过程期间，发生树脂和纤维组分的高温分解，并且较高分子量组分被分解成不同的气体和碳。碳保留在碳化的部件中而气体基本上被消除（例如消除或几乎消除）。

在多层预制件50的碳化（88）之后，碳化的预制件可以使用化学气相沉积（CVD）/化学气相浸透（CVI）用含碳材料进行密实（90）。例如，碳化的预制件可以经历一个或多个周期的CVD/CVI以填充在碳化过程期间由于气体散出所导致的预制件50中的气孔。碳化的预制件可以经历一个或多个周期的CVD/CVI直到材料显示密实的密度。例如该材料可以显示大于1.70克每立方厘米(g/cc)的密度，例如在大约1.75g/cc和大约1.90g/cc之间。

在一些CVD/CVI的示例中，碳化的预制件在压力罐中在惰性气体的覆盖下诸如在100托以下的压力被加热。当碳化的预制件达到约900摄氏度和约1200摄氏度之间的温度时，惰性气体被含碳气体代替，含碳气体诸如是天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯或乙炔，或这些气体中至少两种的组合。当含碳气体在碳化的预制件周围流动并流动穿过碳化的预制件时，发生脱氢、冷凝和聚合反应的复杂组合，因此碳原子沉积在碳化的预制件的内部中和其表面上。随着时间的推移，由于越来越多的碳原子沉积到碳化的预制件的气孔的表面上，所以碳化的预制件变得更密实。此过程可以称为密实化，由于碳化的预制件中的开放空间最终由碳基体填充直到形成大体实心的碳部件。美国专利申请公开号2006/0046059（Arico等人）提供了可以用于本文所述的技术的示例性CVD/CVI处理的概述，其全部公开内容通过引用并入本文。在其他示例中，可以使用其他技术密实预制件50。

如上所述，在一些示例中，碳纤维预制件的单独层可以通过经由三维打印系统60的打印头68沉积各自涂覆有树脂的多个单独碳纤维来形成，而不是沉积包括混合在树脂材料中的碳纤维的复合材料。图7是示出另一个示例性三维打印系统100的示意图，其可以被使用以例如通过沉积多个单独纤维（其中每个纤维涂覆有树脂）形成预制件50。三维打印系统100包括基本与关于系统60（图4）所述相同或类似地起作用的工作表面66、可移动打印头68、控制器70和操纵臂72。

但是，与系统60（图4）不同的，系统100包括树脂进料器102、碳丝进料器104和拉挤模块106。在这样的构造中，在控制器70的控制下，系统100可以被构造成使用拉挤模块106用来自树脂进料器102的树脂涂覆来自进料器104的基本连续（例如连续）的碳丝。一旦被涂覆，模块106就可以将基本连续（例如连续）的碳丝切割成涂覆有树脂的单独碳纤维，其可以通过打印头68直接或间接地沉积在工作表面66上以形成涂覆有树脂的碳纤维层。基本连续（例如连续）的涂覆的碳丝可以由系统60在排出打印头68之前或之后被切割。

图8是示出并入在系统100中以用树脂涂覆连续的碳丝（其随后被切割成单独的涂覆的碳纤维）时的示例性拉挤模块106的各方面的示意图。如所示出的，基本连续（例如连续）的碳丝从碳丝进料器104输送通过树脂涂覆器108。来自碳丝进料器104的基本连续（例如连续）的碳丝是例如缠绕在辊子上的单独丝或碳丝丝束。拉出模块110将碳丝从碳丝进料器104“拉出”通过树脂涂覆器，而不是将连续的碳丝“推送”通过树脂涂覆器108。拉出模块110可以使用一个或多个合适的机构用于将碳丝拉出通过树脂涂覆器108，诸如像履带式拉出器或往复式拉出器。

在通过树脂涂覆器108时，连续的碳丝被用从树脂进料器102提供的树脂涂覆。例如，树脂涂覆器108可以采用充满来自树脂进料器102的液态树脂的树脂池的形式。拉出模块110将来自进料器104的连续的碳丝拉出通过池中的树脂，例如以用树脂涂覆丝的外面。在离开树脂涂覆器108之后，基本连续（例如连续）的碳丝可以具有显示任何合适厚度的树脂涂层。基本连续（例如连续）的碳丝上的树脂可以例如通过空气淬冷冷却以固化树脂涂层或减小树脂涂层的粘度。

随后，拉出模块110将涂覆的碳丝输送到打印头68。在离开打印头68后，切割模块112将基本连续（例如连续）的碳丝切割/割断成涂覆有树脂的单独碳纤维，其接着通过打印头68沉积到工作表面66上。切割模块112可以包括任何合适的碳纤维切割/割断技术，诸如像带有切割轮的纤维割断器。纤维可以被切割为任何合适的长度。例如，基本连续（例如连续）的涂覆的纤维可以被切割成具有大约1/16英寸（大约1.5875mm）至大约3英寸（大约7.62cm）的长度的单独的涂覆的碳纤维，例如大约1/8英寸（大约3.175mm）至大约3英寸（大约7.62cm）。涂层相对于碳纤维直径的厚度可以选择成提供以上所述的层的树脂和碳纤维组成范围。

系统100仅是可以用于沉积涂覆的碳纤维以形成例如碳纤维预制件50的三维打印系统的一个示例。在所描述的示例中，系统100被构造以涂覆基本连续（例如连续）的碳丝并且将丝切割成单独的涂覆的碳纤维。在另一个示例中，三维打印可以被构造以接收预涂覆的基本连续（例如连续）的碳丝，其接着被切割并随后通过打印头68沉积。在其他示例中，碳纤维在被输入三维打印系统100中以通过打印头68沉积之前被预涂覆和预切割。

图9是示出根据本公开各方面的形成预制件50并随后由预制件50形成密实的碳碳复合材料的另一个示例性技术的流程图。图9的示例描述为通过图7的系统100执行。但是，可预期适合用于执行碳预制件50的添加制造的其他系统。

如所示出的，在控制器70的控制下，打印头68沉积各自涂覆有树脂的第一多个单独纤维以在工作表面66上形成涂覆有树脂的碳纤维的第一层，例如层54X₁（114）。该过程可以包括形成单独行（例如对应于图4中所示的用于层54X₄的行56）以在x-y平面内形成涂覆有树脂的碳纤维的层54X₁。控制器70可以在整个过程中控制打印头68的位置以提供希望的层的几何形状。在一些示例中，与例如如在图6中沉积具有混合在树脂基体材料中的碳纤维的复合材料相比，当如在图9中沉积单独涂覆的纤维时在各个相应层中的单独纤维的定向的控制可以被加大。例如，图9的技术可以提供在单独层中在z轴方向定向的较高的控制，例如其中在单独层中的一些或基本全部纤维可以被沉积以使得纤维延伸出x-y平面并基本沿（例如沿着或几乎沿着）碳纤维的纵向轴线延伸进z轴方向中。

随后，打印头68沉积各自涂覆有树脂的第二多个单独纤维以在第一层54X₁上形成涂覆的碳的第二层（层54X₂）（116）。此过程更多地被重复以形成预制件50的层54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n（118）。此外，控制器70可以在整个沉积过程中控制打印头尤其是三维中的位置以使得复合材料52的层54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n的组合形成具有希望的三维几何形状的预制件50。接着多层碳纤维预制件50可以如上关于图6的示例性技术描述地被碳化（88）和密实（90）。

已描述了用于形成碳纤维预制件的不同技术的示例。在不同的示例中，本公开的技术可以在不同的硬件、软件、固件或其任意组合中实施。在一些示例中，本公开的技术可以在一个或多个处理器中实施，一个或多个处理器包括一个或多个微处理器、数字信号处理器（DSP）、特定应用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列(FPGA)或任意其他等效的集成或分立的逻辑电路以及这些部件的任何组合。在一些示例中，本公开的技术还可以包含或编码在包含指令的计算机可读介质中，诸如计算机可读存储介质。包含或编码在计算机可读存储介质中的指令可以使可编程处理器或其他处理器执行本方法，例如当指令被执行时。计算机可读存储介质可以包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可编程只读存储器（PROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM）、电子可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、快闪存储器、硬盘、CD-ROM、软盘、盒式磁带、磁性介质、光学介质或其他计算机可读介质。

已描述了各种示例。这些和其他示例在以下权利要求的范围内。

Claims

1.一种用于形成碳纤维预制件的方法，所述方法包括：

将复合材料沉积在基底上以形成复合材料的第一层，其中复合材料包括混合在树脂基体材料中的多个碳纤维；

将复合材料沉积在第一层上以形成第二层，其中碳纤维预制件包括复合材料的第一层和复合材料的第二层，并且包括多个碳纤维和树脂基体材料；

碳化所述碳纤维预制件，包括所述复合材料的第一层和所述复合材料的第二层；以及

密实碳化的碳纤维预制件，以形成密实的碳碳复合材料。

2.如权利要求1所述的方法，其中将复合材料沉积在基底上包括通过三维打印系统的打印头将复合材料沉积在基底上。

3.一种碳纤维预制件，包括各自由沉积复合材料以限定相应层而形成的多个层，其中复合材料包括混合在树脂基体材料中的多个碳纤维，其中多个层包括复合材料的第一层和在第一层上的复合材料的第二层，其中，所述树脂基体材料包括沥青树脂。