CN106142561B - 碳纤维预成型件 - Google Patents

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Abstract

在一些实例中，一种用于形成碳纤维预成型件的方法包含经由三维打印系统的打印头沉积第一多个碳纤维以在大致x‑y平面中形成第一碳纤维层，其中所述第一多个碳纤维沉积在相对于所述x‑y平面在大致z轴方向上延伸的碳纤维细丝阵列周围。

Description

碳纤维预成型件
技术领域
本公开内容涉及碳纤维预成型件，例如，如用于形成碳-碳复合材料。
背景技术
碳纤维-增强型碳材料（也称为碳-碳(C-C)复合材料）是包含碳材料基质中的增强碳纤维的复合材料。所述C-C复合材料可在许多高温应用中使用。例如，航空航天工业采用C-C复合材料作为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
描述用于形成碳纤维预成型件的装置、系统和技术。还描述由所述技术产生的碳纤维预成型件和碳-碳复合材料组件的实例。在一些实例中，碳纤维预成型件可包含多个个别碳纤维层。所述个别层可通过使用三维打印系统沉积碳纤维而在逐层基础上形成。同时，所述个别层可形成具有所期望几何结构的碳纤维预成型件。
在一个方面中，本公开内容贯注于一种用于形成碳纤维预成型件的方法，所述方法包括经由三维打印系统的打印头沉积第一多个碳纤维以在大致x-y平面中形成第一碳纤维层，其中所述第一多个碳纤维沉积在相对于所述x-y平面在大致z轴方向上延伸的碳纤维细丝阵列的相应碳纤维细丝周围和之间。
在一些实例中，所述方法进一步包含：相对于所述x-y平面平移所述碳纤维阵列或在所述第一碳纤维层的所述形成之后围绕实质上平行于所述z轴方向的轴线旋转所述碳纤维细丝阵列中的至少一者；以及经由所述三维打印系统的所述打印头在所述第一碳纤维层上沉积第二多个碳纤维以在大致所述x-y平面中形成第二碳纤维层，其中所述第二多个碳纤维在所述碳纤维细丝阵列的平移或旋转中的所述至少一者之后沉积在相对于所述x-y平面在大致z轴方向上延伸的所述碳纤维细丝阵列的相应碳纤维细丝周围和之间，并且其中所述碳纤维预成型件包含所述第一碳纤维层、第二碳纤维层和所述碳纤维细丝阵列。
在另一方面中，本公开内容贯注于一种碳纤维预成型件，其包括：第一碳纤维层，其通过经由三维打印系统的打印头在大致x-y平面中沉积第一多个碳纤维而形成；以及碳纤维细丝阵列，其相对于所述x-y平面在大致z轴方向上延伸，其中所述第一多个碳纤维沉积在所述碳纤维细丝阵列的相应碳纤维细丝周围和之间。
在附图和以下描述中陈述一个或多个实例的细节。根据描述和图式并根据权利要求书，将显而易见本公开内容的其它特征、目的和优点。
附图说明
图1是示出实例飞行器制动组合件的示意性框图。
图2是示出根据本公开内容的若干方面的实例碳纤维预成型件的概念图。
图3是示出可用于制造图2的实例预成型件的实例三维打印系统的示意图。
图4是示出可由图3的三维打印系统采用的实例设备的概念图。
图5是示出图2的碳纤维预成型件的实例方法的流程图。
具体实施方式
本文中描述用于形成碳纤维预成型件的实例技术，以及由所述碳纤维预成型件形成的碳-碳复合材料和结构。在（例如）航空航天应用（例如制动盘）中使用的致致密化C-C复合材料可由已使用一个或多个致密化技术致密化的碳纤维预成型件形成。例如，碳纤维预成型件可通过堆叠由织造或非织造碳纤维制成的织物薄片而形成。可然后同时针缝所述织物薄片堆栈以在轴向（z轴方向）上缠结所述薄片。所述经堆叠碳纤维预成型件或其它预成型件可然后（例如）通过使用真空压力浸渗(VPI)和/或树脂传递模制(RTM)使所述预成型件浸渗液体沥青、后跟所述沥青的碳化来致密化以实现展现所期望最终密度的C-C复合材料。另外或另一选择为，可使用化学气相浸渗(CVI)或化学气相沉积(CVD)来致密化所述碳纤维预成型件或其它预成型件。在飞行器制动盘的情况下，在一些实例中，所述碳化的预成型件可采用环形圈的形式，虽然还可使用其它形状。
根据本公开内容的一个或多个实例，碳纤维预成型件可由彼此堆叠的多个碳纤维层形成。个别碳纤维层可通过经由三维打印系统的打印头沉积碳纤维以在大致x-y平面中形成一层（例如，在x-y平面中，或几乎在x-y平面中，除了由所述层界定的表面的细微差异）而形成。x-y平面可沿着x轴和y轴界定，x轴和y轴可彼此正交。每一层的碳纤维可沉积在相对于x-y平面在大致z轴方向上（例如，在z轴方向上，或几乎在z轴方向上，除了细丝的细微差异）延伸的碳纤维细丝阵列的个别碳纤维细丝周围和之间。z轴可正交于x轴和y轴。在个别碳纤维层的形成之后，所述碳纤维细丝阵列可相对于x-y平面平移和/或围绕实质上平行于z轴方向的轴线旋转。在所述碳纤维细丝阵列的平移和/或旋转之后，另一碳纤维层可通过经由三维打印系统的打印头再次在如先前平移/旋转的所述碳细丝阵列周围和之间沉积碳纤维而形成于先前形成的层上。
可重复在碳细丝阵列周围和之间形成一个或多个碳纤维层、后跟相对于x-y平面的平移和/或碳纤维细丝围绕实质上平行于z轴方向的轴线的旋转的过程，直到所述碳纤维层沿着x-y平面堆叠以形成具有所期望性质和几何结构的碳纤维预成型件。所述碳纤维细丝阵列可通过在z轴方向上在所述层之间提供连接来帮助所述碳纤维层相对于彼此固定。在一些实例中，可使用所述碳纤维预成型件来（例如）通过进一步将所产生的碳纤维预成型件碳化和致密化来形成致密化C-C复合材料。
本公开内容的实例可允许一个或多个优点。例如，通过利用三维打印过程来形成界定整体碳纤维预成型件的个别层，碳纤维预成型件可跨越所述预成型件以及具有所期望几何结构的碳纤维预成型件的体积制作具有对性质（诸如例如，组合物、密度、纤维图案和/或织造图案）的经改进控制（例如，均匀度）。作为另一实例，可形成具有多个个别碳纤维层的碳纤维预成型件，而无需碳纤维织物段的先前制作、后跟这些段的针缝，同时仍提供所述个别碳纤维层在z轴方向上的附接。
作为另一实例，可在（例如）通过使用先前碳化的纤维形成个别层来形成所有这些层之后形成碳纤维预成型件，而不必碳化所述预成型件或最小化所述预成型件的碳化。相比之下，关于某些其它预成型件，聚丙烯腈(PAN)纤维织物经分层和针缝以形成预成型件，立即后跟所有这些织物层的碳化。PAN纤维可相对具有挠性以允许纺织品风格制造过程经由针缝用于z轴纤维（例如，沿着z轴大致纵向延伸的纤维）的生产中，而无需担忧破坏硬质碳纤维。在针缝后，这些纤维然后必须被碳化以将所述纤维的状态从PAN改变为碳。此过程可产生不期望排气，诸如例如，氰化物。
图1是示出实例组合件10的概念图，其可包含根据本公开内容的技术形成的一个或多个C-C复合材料组件。为便于描述，将主要关于由C-C复合材料形成的飞行器制动盘描述本公开内容的实例。然而，可使用本公开内容的C-C复合材料和前述碳纤维预成型件来形成除飞行器制动盘以外的其它部件。例如，在其它类型的制动应用中并且在其它应用（诸如例如，热交换器和防热罩）中，所述C-C复合材料可用作摩擦材料。
在图1的实例中，飞行器制动组合件10包含轮12、致动器组合件14、制动堆栈16和轮轴18。轮12包含轮毂20、轮外伸法兰22、胎圈座24A和24B、带耳螺栓26以及带耳螺母28。致动器组合件14包含致动器外壳30、致动器外壳螺栓32和柱塞34。制动堆栈16包含交替转子盘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通过梁键40安装至轮12，并且特定来说轮毂20。定子盘38通过栓槽44安装至轮轴18，并且特定来说扭矩管42。轮组合件10可支持任何种类的私人、商用或军用飞行器。
轮组合件10包含轮12，其在图1的实例中由轮毂20和轮外伸法兰22界定。轮外伸法兰22通过带耳螺栓26和带耳螺母28以机械方式附着至轮毂20。轮12界定胎圈密封件24A和24B。在组装期间，可充气轮胎（未显示）可放置在轮毂20上方并通过轮外伸法兰22紧固在相对侧上。此后，带耳螺母28可拧紧于带耳螺栓26上，并且可充气轮胎可借助胎圈密封件24A和24B充气，从而为所述可充气轮胎提供气密密封。
轮组合件10可经由扭矩管42和轮轴18安装至飞行器。在图1的实例中，扭矩管42通过多个螺栓46附着至轮轴18。扭矩管42支撑致动器组合件14和定子38。轮轴18可安装于着陆装置（未显示）的支柱上以将轮组合件10连接至飞行器。
在飞行器的操作期间，可不时需要制动，例如在着陆和滑行期间。轮组合件10被构造成经由致动器组合件14和制动堆栈16向飞行器提供制动功能。致动器组合件14包含致动器外壳30和柱塞34。致动器组合件14可包含不同类型的致动器，诸如例如，机电致动器、液压致动器、气动致动器或类似致动器中的一者或多者。在操作期间，柱塞34可远离致动器外壳30延伸以抵靠压缩点48轴向压缩制动堆栈16以供进行制动。
制动堆栈16包含交替转子盘36和定子盘38。转子盘36通过梁键40安装至轮毂20以供共同旋转。定子盘38通过栓槽44安装至扭矩管42。在图1的实例中，制动堆栈16包含四个转子和五个定子。然而，在其它实例中，不同数目个转子和/或定子可包含于制动堆栈16中。此外，转子和定子的相对位置可颠倒，例如，以使转子盘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可提供相对摩擦表面以供制动飞行器。由于移动飞行器的动能在制动堆栈16中转换成热能，因此温度可在制动堆栈16中快速增加，例如，超过200摄氏度。关于某一飞行器，紧急制动（例如，中断起飞）可导致组件的温度超过500摄氏度，并且在一些情况下，甚至超过800摄氏度。如此，形成制动堆栈16的转子盘36和定子盘38可包含能够在此类温度下操作的稳健、热稳定材料。
在一个实例中，转子盘36和/或定子盘38由根据本公开内容的一个或多个实例技术（例如，参考图2所述的技术）制作的C-C复合材料形成。特定来说，转子盘36中的至少一者和/或定子盘38中的至少一者可由由碳纤维预成型件制作的致密化C-C材料形成，所述碳纤维预成型件经由本公开内容的实例技术中的一者或多者产生。转子盘36和定子盘38可由相同材料或不同材料形成。例如，轮组合件10可包含金属转子盘36和C-C复合材料定子盘38，或反之亦然。此外，转子盘36中的每一盘和/或定子盘38中的每一盘可由相同材料形成，或者转子盘36和/或定子盘38中的至少一个盘可由不同于转子盘36和/或定子盘38中的至少一个其它盘的材料形成。
如上简述，在一些实例中，转子盘36和定子盘38可分别通过梁键40和栓槽44安装于轮组合件10中。在一些实例中，梁键40可围绕轮毂20的内部部分沿圆周间隔。梁键40可（例如）成形有相对末端（例如，矩形的相对侧面），并且可使一个末端以机械方式附着至轮毂20的内部部分且相对末端以机械方式附着至轮毂20的外部部分。梁键40可与轮毂20整体地形成或可与轮毂20分离并以机械方式附着至轮毂20，例如，以在转子盘36和轮毂20之间提供热障。为此，在不同实例中，轮组合件10可包含环绕制动堆栈16径向向外延伸出的防热罩（未显示），例如，以限制制动堆栈16和轮12之间的热传递。
在一些实例中，栓槽44可围绕扭矩管42的外部部分沿圆周间隔。栓槽44可（例如）与扭矩管42整体地形成或可与扭矩管42分离并以机械方式附着至扭矩管42。在一些实例中，栓槽44可在扭矩管42中界定横向凹槽。如此，定子盘38可包含被构造成插入至栓槽中的多个径向向内安置的槽口。
由于梁键40和栓槽44可分别与转子盘36和定子盘38热接触，因此梁键40和/或栓槽44可由热稳定材料制成，包含（例如）上文关于转子盘36和定子盘38论述的那些材料。因此，在一些实例中，本公开内容的实例技术可用于形成轮组合件10的梁键和/或栓槽。
图1中所示的实例组合件10仅为一个实例。在其它实例中，组合件10和组合件10的组件（例如，轮10、致动器组合件14、制动堆栈16和轮轴18）可具有另一合适构造。另外，在其它实例中，本文中所述由实例碳纤维预成型件产生的C-C复合材料可用于形成除盘36、38、键40和栓槽44中的一者或多者以外或者替代盘36、38、键40和栓槽44中的一者或多者的其它结构。
图2是示出根据本公开内容的若干方面的实例碳纤维预成型件50的概念图。如图所示，预成型件50是具有在z轴方向上测量的内径(ID)、外径(OD)和厚度(T)的环形圈。为便于描述预成型件50，正交x-y-z轴显示于图2中。在一些实例中，预成型件50可具有约4英寸至约18英寸（约10.16厘米(cm)至约45.72 cm）的内径(ID)、约10英寸至约30英寸（约25.4cm至约76.2英寸）的外径(OD)和约0.5英寸至约2.5英寸（约1.27 cm至约6.35 cm）的厚度(T)。涵盖其它范围和几何结构。针对给定应用，界定预成型件50的个别层的厚度可相依于预成型件50的设计意图。在一些实例中，所沉积碳纤维的个别层的厚度可介于大约25密耳至大约125密耳（大约0.635毫米(mm)至大约3.175 mm）的范围内，虽然涵盖其它厚度。
碳纤维预成型件50由复合材料衬底52形成，其包含在z轴方向上形成并相互堆叠的多个个别碳纤维层（未显示于图2中）。每一层界定沿着大致x-y平面延伸。例如，每一层可界定实质上平坦（例如，平坦或几乎平坦，除了细微表面差异）并实质上沿着x-y平面延伸的主轴。
所述个别碳纤维层中的每一者可通过经由三维打印系统的打印头在在z轴方向上延伸的碳纤维细丝阵列（图2中未显示）的个别碳纤维细丝周围和之间沉积多个碳纤维而形成。例如，所述碳纤维细丝阵列可包含在所述阵列内相互间隔开的多个个别碳纤维细丝，其中所述个别碳纤维细丝中的每一者在大致z轴方向上延伸。
为便于描述，当由三维打印系统的打印头沉积时，所述多个碳纤维描述为与树脂粘结剂材料混合。然而，还可使用用于经由3D打印系统的打印头沉积碳纤维以形成碳纤维层的其它合适技术。
可使用任何合适碳纤维来形成预成型件50的个别碳纤维层。实例纤维包含（但不限于）聚丙烯腈(PAN)纤维、沥青纤维、经氧化PAN、得自PAN的碳纤维、得自沥青的碳纤维、人造丝和类似物。所述碳纤维可在成品复合材料中提供结构强度。所述碳纤维可以是单个细丝或碳纤维丝束。在一些实例中，所述纤维和纤维丝束中的每一者的长度可（例如）从约0.1英寸（约2.54 mm）变化为实质上连续（例如，贯穿预成型件50的一层或多层碳纤维连续）。在一些实例中，每一碳细丝直径可小于（例如）大约20微米。在一些实例中，所述纤维的长度可沿着预成型件50的厚度T变化。例如，用于接近表面的层的纤维可具有大约0.25英寸（大约6.35 mm）的长度，而用于接近预成型件50的中间的层的纤维可具有大约3英寸（大约7.62cm）或以下的长度。
可使用用于形成预成型件50的任何合适树脂粘结剂材料。例如，所述树脂粘结剂可以是可碳化树脂或沥青材料，以使在碳化过程期间碳由树脂形成。实例树脂基质材料包含（但不限于）合成树脂、煤焦油、石油各向同性和中间相沥青、酚醛树脂、环氧树脂或其它产碳树脂。在一些实例中，所述树脂粘结剂可包含沥青。所述沥青可以是可（例如）从煤、焦油和石油提取的富烃材料。在一些实例中，所述沥青还可以合成方式生产。在不同实例中，所述沥青可来自单个源（例如，煤）或者可以是来自不同源的不同沥青的组合。在一些实例中，所述沥青可以是中间相沥青。在其它实例中，所述沥青可以是各向同性沥青。还涵盖中间相和各向同性沥青的组合。
图3是示出实例三维打印系统60的示意图，其可（例如）用于经由附加性制造过程形成预成型件50。系统60可以是被配置成（例如）使用附加性制造技术沉积复合材料衬底52的碳纤维层以形成预成型件50的任何合适系统。为便于描述，按照挤出沉积系统描述系统60。然而，涵盖用于通过3D打印形成预成型件50的其它系统。
如图所示，系统60包含碳纤维喂入装置66，其经由挤出机64将与树脂粘结剂混合的碳纤维喂入至可移动树脂打印头68。所述树脂粘结剂可用于在每一个别层由打印头68沉积之后粘结每一个别层中的碳纤维。碳纤维喂入装置66可以允许碳纤维和树脂粘结剂流出由可移动打印头68界定的一个或多个出口的方式将碳纤维和树脂粘结剂的混合物加热至熔化所述混合物或以其它方式软化所述混合物的温度。例如，打印头68可包含界定一个或多个孔口的模具，在3D打印过程期间，碳纤维和树脂粘结剂通过这一个或多个孔口压出（例如，通过施加高压）。可移动打印头68的模具的这一个或多个孔口可具有允许所沉积材料在（例如）经由挤出过程从可移动打印头68压出时具有所期望横截面的几何结构。另外或另一选择为，系统60可被配置成例如通过在涂布有树脂粘结剂的实质上连续碳纤维退出打印头68之后将其切削或以其它方式切割为涂布有树脂粘结剂的碳纤维层而经由打印头68沉积涂布有树脂粘结剂的多个碳纤维。
可移动打印头68可被配置成可在x轴方向、y轴方向和z轴方向中的每一者上移动。可朝向工作表面62指引流出打印头68的材料以形成碳纤维层。所述材料可在打印过程期间在连续或不连续基础上经由打印头68沉积，并且打印头68在工作表面62上在三维空间中相对于碳纤维层的位置可在连续或不连续基础上调节。
在图3中示出的实例中，系统60包含控制器70，其可在如下过程期间控制系统60的操作：经由打印头68沉积碳纤维以在在z轴方向上延伸的碳纤维阵列的个别碳纤维细丝周围和之间沿着x-y平面形成一个或多个碳纤维层，后跟所述碳纤维细丝阵列相对于x-y平面的平移和/或所述碳纤维细丝阵列围绕实质上平行于z轴方向的轴线的旋转。例如，在碳纤维沉积过程期间，控制器70可控制控制臂72的移动以在x-y平面中平移可移动打印头68的位置，从而在x-y平面中形成实质上连续碳纤维层。在一些实例中，控制器70可然后在z轴方向上调节打印头68的位置，以使打印头68可然后在先前形成的层上沉积碳纤维以在x-y平面中形成另一碳纤维层。另外或另一选择为，工作表面62可相对于打印头68在z轴方向上移动。
在一些实例中，可采用步进电机、伺服电机或其它合适装置来移动打印头68。控制器70可调节从打印头出来的碳纤维的温度、压力和流速以提供具有所期望性质的碳纤维层。另外，控制器70可控制制作过程的一个或多个其它因素，诸如例如，在z轴方向上延伸的碳纤维阵列的旋转和/或平移。如下文将描述，在一些实例中，控制器70还可被配置成控制在z轴方向上延伸的碳纤维细丝阵列的平移和/或旋转，打印头68在所述碳纤维细丝阵列周围沉积个别碳纤维层。
在一些实例中，控制器70可包含能够响应于所接收和/或所存储数据执行和/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可包含一个或多个处理器，包含一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者任何其它等效集成或分立逻辑电路系统以及此类组件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路系统”可通常指代前述逻辑电路系统中的任一者（单独或与其它逻辑电路系统组合）或者其它等效电路系统。控制器70可包含计算机可读存储装置，例如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)和/或闪速存储器，或者用于运行应用并处理用于控制与系统50相关联的操作的数据的任何其它组件。因此，在一些实例中，控制器70可包含在一个或多个存储器、存储装置和/或微处理器内存储为硬件、软件和/或固件的指令和/或数据。在一些实例中，控制器70可使用在微控制器上运行的计算机辅助制造(CAM)软件包控制系统60。控制器70可包含多个控制器或仅单个控制器。
图4是可由三维打印系统60用于制作碳纤维预成型件50的实例设备74的概念图。如图所示，设备74包含顶板76和底板78。底板78可大致对应于图3中的工作表面62，因为打印头68可在底板78的表面上直接或间接沉积碳纤维以在大致x-y平面中形成碳纤维层。例如，打印头68可相对于底板78沿着路径81移动，同时沉积碳纤维以部分形成碳纤维层。如图所示，一个或多个个别碳纤维层82已通过在x-y平面中经由打印头68沉积多个碳纤维而形成于底板78的表面上。
多个个别碳纤维细丝（诸如例如，碳纤维细丝84）从顶板76延伸至底板78以形成在大致z轴方向上延伸的碳纤维细丝阵列80。所述碳纤维细丝中的每一者（例如，细丝84）可固定或以其它方式附接至底板78和顶板76两者，以使当顶板76在方向73上旋转（例如，在实质上x-y平面中围绕顶板76的中心86旋转）时，碳纤维细丝阵列80与顶板76一起移动，而底板78不旋转。在此配置中，碳纤维细丝阵列80可在碳纤维层82在碳纤维阵列80的个别碳纤维细丝（例如，细丝84）周围和之间的形成之后围绕实质上平行于z轴方向的轴线旋转。另外或另一选择为，碳纤维细丝阵列80可（例如）相对于个别层的x-y平面（例如在z轴方向上）平移。在一些实例中，顶板76和/或底板78可在碳纤维层于底板78上的形成之后旋转和/或平移以旋转和/或平移碳纤维细丝阵列80。控制器70可控制顶板76和/或底板78的移动，例如旋转。
打印头68可沿任何合适路径81而行以在碳纤维阵列80的个别碳纤维细丝（例如，细丝84）周围和之间沉积碳纤维。路径68可经选择以使实质上连续碳纤维层以所期望形状和厚度形成于碳纤维阵列80的个别碳纤维细丝（例如，细丝84）周围和之间。在图4中所示的实例中，打印头68可沿着所期望层的外周长（例如，以实质上Z字形方式）在各种点之间沿着直线路径81沉积碳纤维。可沿其它线性和非线性沉积路径81而行。在某一实例中，打印头68在x-y平面中相对于碳纤维细丝阵列80的位置可在整个沉积过程中周期性地移动（例如，沿圆周）以允许打印头68到达碳纤维细丝阵列80的个别碳纤维细丝周围和之间的整个表面区域的较大可达性，例如，以在碳纤维细丝阵列80周围和之间形成实质上连续碳纤维层。
在一些实例中，细丝84和阵列80的其它细丝可连接至在底板78上方连接至顶板76的喷嘴和实质上沿着x-y平面延伸的任何纤维层，并然后还使用（例如）机械紧固系统在所述纤维层下方连接至底板78，所述机械紧固系统例如（但不限于）螺纹连接、粘合剂或延伸贯穿板78的厚度并防止细丝84的末端拉到板78上形成一个或多个层82的侧面的帽。在一些实例中，控制器70或另一控制器70可被配置成控制喷嘴以（例如）通过致使机构在实质上z轴方向上拉动卷绕且涂布的碳纤维细丝而在实质上z轴方向上控制碳纤维细丝阵列80的细丝的位置，以便控制所述细丝遍及堆积在碳纤维细丝阵列80周围的碳纤维层的张力。
在一些实例中，碳纤维细丝80可以是涂布在树脂中的单个细丝或丝束配置，所述树脂用于向碳纤维预成型件提供粘结剂从而形成可工作结构，但可在稍后制造阶段期间使用热处理过程去除。树脂的去除可用于在预成型件50中形成开孔，所述开孔可稍后填充（例如，使用CVD、CVI或沥青浸渗技术）以形成致密化碳基质材料。
图5是示出根据本公开内容的若干方面的形成预成型件50并随后从预成型件50形成致密化C-C复合材料的实例技术的流程图。为便于图解，图5的实例描述为使用图4的设备74经由图3的系统60实施。然而，在其它实例中，可使用适于执行碳预成型件50的附加性制造的其它系统。而且，为便于描述，图5的技术是其中碳细丝阵列80在碳纤维层中的一者或多者在x-y平面中的形成之间围绕实质上平行于z轴的轴线旋转以例如实现个别碳纤维层的z轴方向附接的实例。然而，碳纤维细丝阵列80可在如下意义上仅部分旋转：仅顶板76或底板78中的一者旋转，或者顶板和底板76, 78两者都旋转、但顶板和底板的相对旋转位置改变，例如，顶板在第一方向上旋转，并且底板在第一方向的相反方向上旋转。另一选择为或另外，碳细丝阵列80可在碳纤维层中的一者或多者在x-y平面中的形成之间相对于x-y平面平移以例如实现个别碳纤维层的z轴方向附接。此外，碳纤维细丝阵列80的平移可仅包含顶板76而非底板78在x-y平面中的移动（例如，直线移动）或反之亦然，或者顶板和底板76,78两者都在x-y平面中移动，但顶板76与底板78的相对位置改变，例如，底板78在正x轴方向上移动，而顶板76在负x轴方向上移动。
如图所示，控制器70可控制打印头68从碳纤维喂入装置66沉积第一多个碳纤维至底板78上以在在大致z轴方向上延伸的碳纤维细丝阵列80的个别碳纤维细丝周围和之间在实质上x-y平面中形成第一碳纤维层（例如，碳纤维层82）(86)。随后，控制器70可控制顶板76沿着方向73的旋转以围绕实质上平行于z轴方向的轴线旋转碳纤维细丝阵列80 (88)。例如，控制器可围绕所述轴线将顶板76旋转大约1度至大约10度。在一些实例中，顶板76可旋转至设计规格旋转角度。所述设计规格可由期望在x-y平面碳纤维层之下结合多少z-纤维（例如，就个别碳纤维细丝80的长度而言）和/或期望多少z-纤维锁定来确定。在一些实例中，旋转角度越大，越多x-y平面碳纤维层便将置于z-纤维的顶部上，从而将其密封并“编织”到适当位置。在一些实例中，此可通过（例如）如由特定产品设计所确定的在逐层基础上在任一方向上大约1度旋转至大约10度旋转来完成。
在旋转碳纤维细丝阵列80 (88)之后，控制器70可控制打印头68从碳纤维喂入装置66沉积第二多个碳纤维至先前形成的层（例如层82）上以在在大致z轴方向上延伸的经旋转碳纤维细丝阵列周围和之间在实质上x-y平面中形成第二碳纤维层(90)。可重复沿着方向73旋转碳细丝阵列80并在旋转时在碳纤维细丝阵列80周围和之间形成碳纤维层的过程，直到个别碳纤维层形成（组合）所期望碳纤维预成型件50，例如，具有所期望几何结构的碳纤维预成型件(92)。在形成碳纤维预成型件50之后，碳纤维细丝阵列80可在顶部碳纤维层上方切割以允许预成型件50从设备74去除以供进一步处理。在形成时，个别碳纤维可（例如）在外径上实质上彼此对准和/或可机加工或以其它方式处理（例如）以界定平滑表面。
在一些实例中，连同z轴方向碳细丝一起在x-y平面中形成的个别碳纤维层可使得预成型件50包含任何合适量的碳纤维和树脂粘结剂。在一些实例中，预成型件50可包含大约45至大约85重量百分比(wt%)的碳纤维，诸如例如，大约50至大约80 wt%，大约80至大约85 wt%，或大约45至大约50 wt%。预成型件50可包含大约15至大约55 wt%的树脂粘结剂，诸如例如，大约20至大约50 wt%，大约15至大约20 wt%，或大约50至大约55 wt%的树脂粘结剂，其中所述复合材料的余量可包括碳纤维、由碳纤维组成或实质上由碳纤维组成。
在一些实例中，碳纤维和树脂粘结剂可以大约50/50碳纤维与树脂粘结剂的比例存在。在一些实例中，预成型件50可包括碳纤维和树脂粘结剂、由碳纤维和树脂粘结剂组成或实质上由碳纤维和树脂粘结剂组成。在一些实例中，增加纤维的量可实现从预成型件50产生的较强C-C复合材料，而增加树脂粘结剂的量可实现从预成型件50产生的较密C-C复合材料。在一些实例中，预成型件50可包含大约90至大约99.9 wt%的碳纤维和大约10至0.01wt%的树脂粘结剂。
随后，多层碳纤维预成型件50可通过将预成型件50加热至（例如）介于大约550摄氏度和大约2450摄氏度之间的温度来碳化(94)。在碳化过程期间，发生树脂粘结剂和/或纤维组分的热解，并且较高分子量组分分解成各种气体和碳。碳在碳化组分中保留，而气体被消除。
在多层预成型件50的碳化(94)之后，碳化的预成型件可使用化学气相沉积(CVD)/化学气相浸渗(CVI)借助碳质材料致密化(96)。例如，碳化的预成型件可经历一个或多个周期的CVD/CVI以填充所述预成型件中在碳化过程期间由气体逸出产生的空隙。所述碳化的预成型件可经历一个或多个周期的CVD/CVI，直到所述材料展现所期望密度。例如，此材料可展现大于或等于大约1.7 克/立方厘米(g/cc)的密度，例如介于大约1.75 g/cc和大约1.90 g/cc之间。
在CVD/CVI的一些实例中，碳化的预成型件在惰性气体的覆盖下（例如在低于100托的压力下）在曲颈瓶中加热。当所述碳化的预成型件达到介于约900摄氏度和约1200摄氏度之间的温度时，用含碳气体（例如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯或乙炔或者这些气体中的至少两者的组合）替换惰性气体。当含碳气体在碳化的预成型件周围流动并流过碳化的预成型件时，发生一组复杂的脱氢、凝结和聚合反应，从而在内部内沉积碳原子并沉积碳原子至碳化的预成型件的表面上。随着时间的过去，当越来越多的碳原子沉积到碳化的预成型件中的孔的表面上时，所述碳化的预成型件变得更密。此过程可称为致密化，因为碳化的预成型件中的开放空间最终用碳基质填充，直到形成大致固体碳部件。整个公开内容以引用方式并入本文中的美国专利申请公开案第2006/0046059号（Arico等人）提供可与本文中描述的技术一起使用的实例CVD/CVI处理的概述。在其它实例中还可使用其它处理技术来致密化复合材料衬底52。
在一些实例中，形成于x-y平面中的预成型件50的个别碳纤维层在厚度上可为大约0.125英寸并且可覆盖为特定产品设计的区域。例如，个别碳纤维层的形状可经沉积以使预成型件50包含ID和OD以及其它特征，例如，以形成硬件附接凸耳。在一些实例中，纤维体积密度可为大约900至大约1000克的纤维/平方米的部件层。所述碳纤维可连续或分段，此视产品的设计规格而定。可定义由预成型件50形成的致密化碳-碳复合材料的最终密度和密度梯度并且其可以是产品/部件特有的。作为一个实例，碳-碳复合材料的最终密度的范围可介于约1.5至约2.0克/立方厘米的范围内。在一些实例中，由将用作飞行器制动盘的预成型件50形成的碳-碳复合组份可包含具有为约0.75至1.25英寸的总体厚度的约15至约30个总层。
已描述用于形成碳纤维预成型件的不同技术的实例。在不同实例中，本公开内容的技术可在不同硬件、软件、固件或其任一组合中实施。在一些实例中，本公开内容的技术可在一个或多个处理器内实施，包含一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或者任何其它等效集成或分立逻辑电路系统以及此类组件的任何组合。在一些实例中，本公开内容的技术还可体现或编码于包含指令的计算机可读媒体中，例如计算机可读存储媒体。嵌入或编码于计算机可读存储媒体中的指令可致使可编程处理器或其它处理器例如在执行所述指令时实施所述方法。计算机可读存储媒体可包含随机存取存储器(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)、闪速存储器、硬盘、CD-ROM、软盘、盒式磁带、磁性媒体、光学媒体或其它计算机可读媒体。
已描述各种实例。这些和其它实例在以下权利要求书的范围内。

Claims (3)

1.一种用于形成碳纤维预成型件的方法，所述方法包括经由三维打印系统的打印头沉积第一多个碳纤维以在x-y平面中形成第一碳纤维层，其中，所述第一多个碳纤维沉积于在相对于所述x-y平面的z轴方向上延伸的碳纤维细丝阵列的相应碳纤维细丝周围和之间。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括：
如下项中的至少一者：相对于所述x-y平面平移所述碳纤维细丝阵列；或在所述第一碳纤维层形成之后围绕实质上平行于所述z轴方向的轴线旋转所述碳纤维细丝阵列；以及
经由所述三维打印系统的所述打印头在所述第一碳纤维层上沉积第二多个碳纤维以在所述x-y平面中形成第二碳纤维层，其中所述第二多个碳纤维在平移或旋转所述碳纤维细丝阵列中的所述至少一者之后沉积于在相对于所述x-y平面的所述z轴方向上延伸的所述碳纤维细丝阵列的相应碳纤维细丝周围和之间，并且其中，所述碳纤维预成型件包含所述第一碳纤维层、所述第二碳纤维层和所述碳纤维细丝阵列。
3.一种碳纤维预成型件，包括：
第一碳纤维层，其通过经由三维打印系统的打印头在x-y平面中沉积第一多个碳纤维而形成；以及
碳纤维细丝阵列，其相对于所述x-y平面在z轴方向上延伸，其中所述第一多个碳纤维沉积于所述碳纤维细丝阵列的相应碳纤维细丝周围和之间。
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