CN106518127B

CN106518127B - 树脂原位碳化以形成碳-碳复合材料

Info

Publication number: CN106518127B
Application number: CN201610823414.3A
Authority: CN
Inventors: M.L.拉富里斯特; S.T.弗里斯卡; D.弗拉斯克; J.特雷斯特
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2015-09-15
Filing date: 2016-09-14
Publication date: 2021-03-26
Anticipated expiration: 2036-09-14
Also published as: EP3168018B1; US10022890B2; CN106518127A; US20170072587A1; EP3168018A1

Abstract

在一些示例中，本公开描述了一种方法，其包括：在三维打印系统的工作表面上沉积第一层，所述第一层包括树脂和碳纤维或者碳纤维前体材料中的至少一个；通过使用附接至所述三维打印机的碳化器来至少使所述第一层的所述树脂碳化以形成第一碳‑碳复合材料层，所述第一碳‑碳复合材料层包括碳纤维和碳化的基体材料；在所述第一碳‑碳复合材料层上沉积附加层，所述附加层包括树脂和碳纤维或者碳纤维前体材料中的至少一个；以及通过使用所述碳化器来至少使所述附加层的所述树脂碳化以在所述第一碳‑碳复合材料层上形成附加碳‑碳复合材料层。

Description

树脂原位碳化以形成碳-碳复合材料

技术领域

本公开涉及碳复合材料，例如，用于制动摩擦材料的碳-碳复合材料。

背景技术

碳纤维增强碳材料（也被称为碳-碳复合材料）是包括在碳材料基体中增强的碳纤维的复合材料。碳-碳复合材料部件可以用于许多高温应用。例如，航空航天工业采用碳-碳复合材料部件作为用于商用航空器和军用航空器的摩擦材料，诸如，制动摩擦材料。

发明内容

描述了用于形成碳-碳复合材料部件的装置、系统和技术，该碳-碳复合材料部件包括多个复合材料层，该多个复合材料层包括碳纤维和碳化的基体材料。在一些示例中，本公开描述了一种用于形成碳-碳复合材料部件的方法，该碳-碳复合材料部件由碳纤维和碳化的基体材料的多个复合材料层组成，通过使用三维打印过程（例如，利用三维打印机系统）来形成该多个复合材料层。在一些示例中，使用三维打印机系统来形成复合材料层以在三维打印机的工作表面上沉积至少一个树脂（例如，树脂、碳纤维和树脂的混合物、或者涂布有树脂的碳纤维）。在树脂的沉积之后，三维打印机的碳化器（例如，集中的激光束）可以对树脂进行加热以通过迭代过程引起碳化，并且将树脂转换为碳化的基体材料，从而形成复合材料层。可以重复该过程以添加和形成附加复合材料层，从而产生具有期望几何结构（例如，厚度）和密度的多层碳-碳复合材料部件。

在一些示例中，本公开描述了一种方法，其包括在三维打印系统的工作表面上沉积第一材料层，第一材料层包括树脂和碳纤维、碳纤维材料或者碳纤维前体材料中的至少一个。方法还包括使用附接至三维打印机的碳化器来至少使第一材料层的树脂碳化以形成第一碳-碳复合材料层，该第一碳-碳复合材料层包括碳纤维和碳化的基体材料。方法还包括在第一碳-碳复合材料层上沉积附加材料层，附加材料层包括树脂和碳纤维、碳纤维材料或者碳纤维前体材料中的至少一个。方法还包括使用碳化器来至少使附加材料层的树脂碳化以在第一碳-碳复合材料层上形成附加碳-碳复合材料层。

在一些示例中，本公开描述了一种系统，其包括：至少一个打印头，该至少一个打印头构造为相对于工作表面沉积树脂；碳化器，该碳化器构造为使相对于工作表面而沉积的树脂碳化以形成碳化的基体材料；以及控制器，该控制器构造为控制相对于工作表面沉积树脂并且使树脂碳化以形成多个碳-碳复合材料层，该多个碳-碳复合材料层包括碳纤维和通过对树脂进行碳化而形成的碳化的基体材料。

在一些示例中，本公开描述了一种碳-碳复合材料物品，其包括复合材料层，该复合材料层包括碳纤维和碳化的基体材料，其中，通过在三维打印系统的工作表面上沉积碳纤维、碳纤维材料或者碳纤维前体材料中的至少一个和树脂，并且经由三维打印系统的碳化器使树脂碳化以形成碳化的基体材料来形成复合材料层。

在附图或者以下描述中，提出一个或多个示例的细节。从说明书、附图及所附权利要求书中本公开的其它特征、目标和优点将变得明显。

附图说明

图1是示出了示例航空器制动组件的示意框图。

图2是示出了示例碳-碳复合材料部件的概念图。

图3是示出了图2的碳-碳复合材料部件的示例截面的示意图。

图4是示出了图2的碳-碳复合材料部件的层的示例截面的示意图。

图5至图6是示出了用于经由三维打印过程形成碳-碳复合材料部件的示例三维打印系统的示意图。

图7是示出了可以与三维打印系统一起使用的示例挤压成型模块的示意图。

图8是示出了用于经由三维打印过程形成碳-碳复合材料部件的示例三维打印系统的示意图。

图9是示出了通过使用三维打印系统来沉积复合材料层并且使复合材料碳化来形成碳-碳复合材料的示例技术的流程图。

图10是示出了通过使用三维打印系统来沉积涂布有树脂的碳丝并且使该碳丝碳化，以形成复合材料的多个复合材料层的示例技术的流程图。

图11是示出了示例技术的流程图，该示例技术通过在三维打印机的工作表面上沉积碳纤维、然后在碳纤维上沉积树脂并且随后使用三维打印机的碳化器来使树脂碳化以形成复合材料的多个复合材料层来形成碳-碳复合材料部件。

具体实施方式

本文描述了用于形成致密的碳-碳复合材料部件的示例技术。在一些示例中，致密的碳-碳复合材料部件可以用作摩擦材料，例如，作为航空器制动盘。在航空器制动片的情况下，在一些示例中，碳-碳复合材料部件可以采取环形圈的形式，尽管也可以使用其它形状。

例如在航空航天应用（诸如，制动片）中使用的致密的碳-碳复合材料部件可以由碳纤维预制体形成，已经通过使用多种致密技术来致密该碳纤维预制体。例如，可以通过将由织造或者非织造碳纤维形成的织物片分层放置来形成碳纤维预制体，然后可以通过化学气相渗透（CVI）或者化学气相沉积（CVD）对该碳纤维预制体进行整体致密以实现表现出期望最终密度的碳-碳复合材料部件。然而，这种技术可能是缓慢的并且采取多种应用来实现期望最终密度。

另外或者替代地，可以通过利用液态树脂渗入整个预制体使用例如真空压力浸渍（VPI）和/或树脂传递模塑（RTM）、然后使树脂碳化来使预制体致密。这种技术的速度可以比CVI/CVD快，但是这种技术可以导致贯穿碳-碳复合材料部件的非均匀密度梯度，该碳-碳复合材料组分需要进一步处理以获得期望密度。另外，一些树脂在经过碳化之前可能需要中间树脂稳定周期。在树脂稳定周期期间，可以对树脂进行某种程度的交联或者聚合，这可以在树脂的温度上升至碳化点时帮助树脂凝固并且抑制树脂液化并且流失（leech）到渗入的预制体之外。

然而，树脂稳定化周期可能是极其占用时间的，需要数月来对树脂进行充分的交联。此外，即使是树脂稳定化，由于在将树脂转换为炭时从树脂演变而来的气体，在碳化期间，可以迫使一定数量的树脂离开预制体。与CVD/CVI和包括树脂稳定化的技术相比，通过利用本文所描述的技术，可以按照原位方式来完成树脂的沉积、稳定化和/或碳化，例如，将树脂的局部（例如，相对小的）部分迭代地转换为碳以形成复合材料层，这可以显著减少制作时间和成本，同时仍然提供高密度碳-碳复合材料。

根据本公开的一个或者多个示例，碳-碳复合材料部件可以包括多个层，该多个层包括碳纤维，该碳纤维与已经经过碳化的树脂相结合以形成碳化的基体材料。在一个示例中，通过经由三维打印系统在树脂材料中顺序地沉积复合材料混合物、然后通过使用三维打印系统的碳化器来使树脂碳化来形成多个层，所述复合材料混合物包括多个碳纤维或者碳纤维前体材料（统称为“碳纤维”）。例如，碳-碳复合材料部件可以包括多个层，其中，通过经由三维打印系统的至少一个打印头将复合材料混合物沉积到工作表面上来顺序地形成每一层，例如，碳-碳复合材料部件的先前形成的层。连接至三维打印系统的碳化器然后可以对沉积的复合材料混合物的局部部分进行加热以引起树脂碳化，并且在某些情况下，引起复合材料混合物的碳纤维碳化以形成一层碳纤维和碳化的基体材料。在迭代沉积和碳化过程期间，可以控制打印头和碳化器在三维空间中的位置，从而在三维空间中顺序地形成多层碳-碳复合材料部件以限定具有期望几何结构的碳纤维预制体。

在其它示例中，除了沉积包括与树脂材料相结合的碳纤维的复合材料混合物之外，可以通过经由三维打印系统的至少一个打印头沉积多层单独碳纤维来同时形成碳纤维和树脂的单独层，每一层单独碳纤维涂布有树脂。例如，三维打印系统可以采用挤压成型过程来利用树脂涂布大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳纤维丝或者碳纤维前体丝（统称为“碳丝”），并且然后将涂布的丝切成涂布有树脂的多个碳丝。在一些示例中，大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝可以是单个丝或者两个碳丝。然后，可以经由三维打印系统的打印头沉积单独的涂布的碳丝。在进行沉积之后，可以对碳化器进行接合以迭代地引起树脂碳化，并且在某些情况下，引起碳丝碳化以形成一层碳纤维和碳化的基体材料。此外，可以重复三维打印过程以生成具有期望三维几何结构的多层碳-碳复合材料部件。

在其它示例中，可以通过独立应用技术以逐层为基础沉积碳纤维和树脂。例如，可以通过首先在包含先前形成的碳-碳复合材料层的工作表面上沉积碳纤维材料层经由三维打印系统形成碳-碳复合材料的每一层。在沉积碳纤维材料之后，通过使用相同的或者不同的三维打印系统，可以在新近沉积的碳纤维材料上沉积树脂以允许树脂渗入碳纤维材料。在渗入之后，可以对碳化器进行接合以迭代地引起树脂碳化，并且在某些情况下，引起碳纤维材料碳化以形成一层碳纤维和碳化的基体材料。此外，可以重复三维打印过程以生成具有期望三维几何结构的多层碳-碳复合材料部件。

在其它示例中，可以按照预制形式（例如，碳纤维片）沉积碳纤维。例如，在这些示例中，可以将碳纤维片添加至先前形成的碳-碳复合材料层。在进行添加之后，三维打印系统可以在碳纤维片上沉积树脂以允许树脂渗入纤维。在渗入之后，可以对碳化器进行接合以迭代地引起树脂碳化，并且在某些情况下，引起碳纤维碳化以形成一层碳纤维和碳化的基体材料。可以重复整个过程以生成具有期望三维几何结构的多层碳-碳复合材料部件。

本公开的示例可以提供由于其它方法的一个或者多个优点。例如，在某些情况下，本公开的示例可以提供用于通过限制过多的碳纤维和碳基体材料的数量来减小材料制造成本，并且通过以逐层为基础的对材料的局部部分进行致密和碳化来提高产品的均匀性。在一些示例中，如果以这种方式设计，则提高的均匀性可以对磨损性能和停止性能产生预期影响，并且阻止所产生的碳-碳复合材料氧化。另外，与其它现有技术（诸如，例如，将碳纤维分层，然后对分层的织物部分进行树脂致密并且对所产生的块部件碳化）相比较，通过利用三维打印过程来形成多层碳-碳复合材料部件，可以利用对跨越碳-碳组件的体积的特性（诸如，例如，成分）的改进控制（例如，非均匀性）来制造整体组件。另外，以原位（例如，局部）方式对树脂进行的稳定化和/碳化可以允许更多的树脂转换为碳化的基体材料并且显著减少制作时间。例如，通过使用碳化器来通过集中加热使树脂的局部（例如，相对小的）部分碳化，例如，使由集中的激光束限定的局部区域碳化，可以将树脂的局部部分快速地（例如，几乎是瞬间地）加热至碳化点，同时也避免树脂液化并且从碳纤维层流失的机会。所产生的过程可以导致更多树脂保持并且转换为炭，例如，碳，同时也避免需要漫长的树脂稳定化周期。

图1是示出了示例航空器制动组件10的概念图，该示例航空器制动组件10可以包括根据本公开的技术而形成的一个或者多个碳-碳复合材料部件。为了便于说明，首先关于由碳-碳复合材料部件形成的航空器制动盘描述本公开的示例。然而，可以使用本公开的技术来形成除了航空器制动盘之外的碳-碳复合材料部件。例如，碳-碳复合材料部件可以用作在其它类型的制动应用中以及在其它应用（诸如，热交换器和隔热罩）中的摩擦材料。

在图1的示例中，航空器制动组件10包括轮12、致动器组件14、制动堆叠16和轮轴18。轮12包括轮毂20、轮支架凸轮（wheel outrigger flange）22、胎圈座（bead seats）24A和24B、凸耳螺栓（lug bolt）26以及凸耳螺母28。致动器组件14包括致动器外壳30、致动器外壳螺栓32和撞锤（ram）34。制动堆叠16包括交替的转子盘36和定子盘38，转子盘36构造为相对于定子盘38移动。转子盘36通过梁键40安装到轮12上，并且具体地安装到轮毂20上。定子盘38通过花键44安装到轮轴18上，并且具体地安装到转矩管42上。轮组件10可以支撑任何种类的私有的、商用的或者军用的航空器。

轮组件10包括轮12，在图1的示例中，该轮12由轮毂20和轮支架凸轮22限定。轮支架凸轮22通过凸耳螺栓26和凸耳螺母28机械地贴附在轮毂20上。在组装期间，可以通过轮支架凸轮22将可充气轮胎（未示出）放置在轮毂20之上并且固定在相对侧上。其后，可以将凸耳螺母28拧紧在凸耳螺栓26上，并且可以利用胎圈密封件24A和24B来使可充气轮胎充气，从而为可充气轮胎提供气密封。

轮组件10可以经由转矩管42和轮轴18安装到航空器。在图1的示例中，转矩管42通过多个螺栓46贴附到轮轴18。转矩管42支撑制动器组件14和定子38。轮轴18可以安装到起落架（未示出）的支柱上以将轮组件10连接至航空器。

在航空器的操作期间，制动有时是必要的，诸如，在着落和滑行期间。轮组件10构造为经由致动器组件14和制动堆叠16向航空器提供制动功能。致动器组件14包括致动器外壳30和撞锤34。致动器组件14可以包括不同类型的致动器，诸如，例如，电气-机械致动器、液压致动器、气动致动器等中的一个或者多个。在操作期间，撞锤34可以远离致动器外壳30延伸以将制动堆叠16轴向压紧抵靠压缩点48以用于制动。

制动堆叠16包括交替的转子盘36和定子盘38。转子盘36通过梁键40安装到轮毂20以共同旋转。定子盘38通过花键44安装到转矩管42。在图1的示例中，制动堆叠16包括四个转子和五个定子。然而，在其它示例中，可以在制动堆叠16中包括不同数量的转子和/或定子。进一步地，例如，转子和定子的相对位置可以是相反的，从而将转子盘36安装到转矩管42并且将定子盘38安装到轮毂20。

转子盘36和定子盘38可以提供用于使航空器制动的相对的摩擦表面。当将移动的航空器的动能转变为制动堆叠16中的热能时，制动堆叠16中的温度可以快速上升，例如，超过200摄氏度。对于一些航空器，紧急制动（例如，中断起飞）可能导致部件温度超过500摄氏度，并且在一些情况下，甚至超过800摄氏度。同样，形成制动堆叠16的转子盘36和定子盘38可以包括能够在这种温度下操作的稳健的热稳定材料。

在一个示例中，转子盘36和定子盘38由根据本公开的一种或者多种技术（例如，关于图2描述的技术）制造的碳-碳复合材料部件形成。具体地，转子盘36中的至少一个和/或定子盘38中的至少一个可以由经由本公开的示例技术中的一种或者多种生产的碳-碳复合材料部件形成。转子盘36和定子盘38可以由相同的材料或者不同的材料形成。例如，轮组件10可以包括金属转子盘36和碳-碳复合材料定子盘38，反之亦然。进一步地，转子盘36中的每一个盘和/或定子盘38中的每一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中的至少一个其它盘不同的材料形成。

简要地说，在一些示例中，可以分别通过梁键40和花键44将转子盘36和定子盘38安装在轮组件10中。在一些示例中，梁键40可以是关于轮毂20的内部周向间隔开的。例如，梁键40的形状可以设计为具有相对端（例如，矩形的相对侧），并且可以具有机械地贴附到轮毂20的内部的一端和机械地贴附到轮毂20的外部的相对端。梁键40可以与轮毂20一体形成并且可以与轮毂20分离并且机械地贴附到轮毂20，例如以在转子盘36与轮毂20之间提供热障。为此，在不同的示例中，轮组件10可以包括隔热罩（未示出），该隔热罩径向向外延伸并且向外围绕制动堆叠16，例如以限制在制动堆叠16与轮12之间的热传递。

在一些示例中，花键44可以关于转矩管42的外部周向间隔开。例如，花键44可以与转矩管42一体形成或者可以与转矩管42分离并且机械地贴附到转矩管42。在一些示例中，花键44可以在转矩管42中限定侧向凹槽。同样，定子盘38可以包括构造为插入到花键中的多个径向向内设置的凹口。

因为梁键40和花键44可以分别与转子盘36和定子盘38热接触，所以梁键40和花键44可以由热稳定材料制成，该热稳定材料包括例如上面关于转子盘36和定子盘38所讨论的那些材料。因此，在一些示例中，可以使用本公开的示例技术来形成用于轮组件10的梁键和/或花键。

图1所示的示例组件10仅仅是一个示例。在其它示例中，组件10和组件10的部件（例如，轮10、致动器组件14、制动堆叠16和轮轴18）可以具有另一合适的构造。另外，在其它示例中，可以使用由示例碳纤维预制体产生的本文所描述的碳-碳复合材料部件来形成除了盘36、38、键40和花键44中的一个或者多个之外或者代替盘36、38、键40和花键44中的一个或者多个的其它结构。

图2是示出了根据本公开的各个方面的示例碳-碳复合材料部件50的概念图。如所示，碳-碳复合材料部件50是在Z轴方向（为了便于描述，在图2中示出了正交x-y-z轴）上具有内径（ID）、外径（OD）和厚度（T）的环形圈。碳-碳复合材料部件50由复合材料52形成，并且包括多个单独层（在图2中未示出），通过在以逐层为基础沉积如下面进一步所描述的碳纤维和树脂材料、然后使用三维打印过程经由碳化器使树脂碳化来形成该多个单独层。为了便于说明，首先将复合材料52描述为碳纤维和碳化的基体材料（例如，已经经过碳化的树脂）。

图3是沿图2所示的截面A-A截取的示出了示例多层碳-碳复合材料部件50的示意图。如所示，碳-碳复合材料部件50包括多个单独复合材料层54X₁、54X₂、54X₃、54X₄……和54X_n，其中，n是在z轴方向上的单独层的总数。层统称为复合材料层54。同时，复合材料层54定义碳-碳复合材料部件50在z轴方向上的厚度T。复合材料层54的每一个单独层由多种碳纤维53和碳化的基体材料55形成。复合材料层54的单独层的厚度可以取决于碳-碳复合材料部件50的设计和应用意图。在一些示例中，复合材料层54的单独层的厚度可以在约25密耳（约0.635毫米（mm））与约125密耳（约3.175 mm）之间，然而还考虑了其它厚度。在一些示例中，碳-碳复合材料部件50的总厚度T可以在约0.5英寸（约1.27厘米（cm））到约2.5英寸（约6.35 cm）之间，然而还考虑了其它厚度。虽然图3将复合材料层54的每一层示出为大体上平面的（例如，形状是平面的或者几乎平面的），也考虑了其它形式。例如，复合材料层54可以采取呈波纹状的或者波纹的形状，该呈波纹状的或者波纹的形状可以提供对复合材料层54的单独层的分层的抵抗。

如下面进一步描述的，复合材料52可以包括多个碳纤维53和碳化的基体材料55。在一些示例中，可以使用例如碳纤维或者丝、碳纤维材料、或者碳纤维前体材料（统称为“碳纤维”）经由三维打印系统形成碳纤维53。用于形成碳纤维53的示例材料包括例如聚丙烯腈（PAN）纤维、沥青纤维、氧化PAN、衍生自PAN的碳纤维、衍生自沥青的碳纤维、人造纤维等。在使用碳纤维前体材料的情况下，可以经由下面进一步描述的碳化器通过碳化将前体容易地转换为碳纤维53。

碳纤维53可以为完成的碳-碳复合材料部件50提供结构强度。在一些示例中，碳纤维53可以是单个丝或者纤维束。在复合材料层54的相应层中包括的碳纤维53的长度可以从具有约1英寸的长度的单独纤维改变为贯穿层的大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）纤维。在一些示例中，碳纤维53的每个纤维可以由具有小于或者等于约20微米的丝直径的一个或者多个丝限定。在一些示例中，纤维的长度可以沿碳-碳复合材料部件50的厚度T改变。例如，接近碳-碳复合材料部件50的外表面的碳纤维53（例如，层54X₁和54X_N）可以分别具有约0.25英寸（约6.35 mm）的长度，而接近碳-碳复合材料部件50的几何结构的中间的碳纤维53可以具有高达约3英寸（约7.62 cm）的长度。

在一些示例中，复合材料层54的碳纤维53可以是预制碳纤维板的形式。例如，碳纤维53可以是织物片的形式，该织物片由可以采取通过下述碳化转换为碳纤维53的织造或者非织造碳纤维或者前体碳纤维（诸如，聚丙烯腈（PAN）或者人造纤维）的形式。在一些示例中，单个碳纤维53片可以具有约0.125英寸的厚度。根据制成品的预期应用，可以将碳纤维53片切成具体形状，该具体形状包括例如具有期望内径和外径的盘式制动器以及用于附接目的的其它结构特征。单个碳纤维53片可以具有每平方米约900 g至约1000 g的纤维的纤维体积密度。根据产品的设计具体细节，纤维可以是连续的或者分段的。

可以使用用于形成碳-碳复合材料部件50的碳化的基体材料55的任何合适的树脂。例如，树脂可以包括但不限于合成物、煤焦油、石油各向同性的和中间相沥青、酚醛树脂、环氧树脂、其它产生碳树脂（carbon yielding resin）或者它们的组合。在一些示例中，用于形成碳化的基体材料55的树脂可以包括沥青，诸如，可以从例如煤、焦油和石油提取到的富碳氧化合物沥青。在一些示例中，可以合成地生产树脂。在一些示例中，树脂可以来自单个源（例如，煤）或者可以是来自不同源的不同树脂的组合。在一些示例中，树脂可以是中间相沥青。在其它示例中，树脂可以是各向同性沥青。也考虑了中间相沥青和各向同性沥青的组合。可以经由三维打印系统的碳化器将树脂转换为碳化的基体材料55。

碳-碳复合材料部件50的复合材料52可以包括任何合适数量的碳纤维53和碳化的基体材料55，例如，允许复合材料52用于期望应用（例如，航空器的盘式制动器）的数量。在一些示例中，复合材料52包括重量百分比（wt%）为约45至约85的碳纤维53，诸如，例如，约50wt%至约80wt%、约80wt%至约85wt%或者约45wt%至约50wt%。复合材料52可以包括约15wt%至约55wt%的碳化的基体材料55，诸如，例如，约20wt%至约50wt%、约15wt%至约20wt%或者约50wt%至约55wt%的碳化的基体材料55，其中，碳-碳复合材料部件50的剩余部分可以包括碳纤维53、由碳纤维53组成或者基本上由碳纤维53组成。在一些示例中，碳纤维53和碳化的基体材料55可以按照碳纤维53与碳化的基体材料55的约50/50的比例呈现。在一些示例中，复合材料52可以包括碳纤维53和碳化的基体材料55，由碳纤维53和碳化的基体材料55组成或者基本上由碳纤维53和碳化的基体材料55组成。在一些示例中，增加碳纤维53的数量可以提供更强的碳-碳复合材料部件50，而增加用于形成碳化的基体材料55的树脂的数量可以提供密实的碳-碳复合材料部件50。

在一些示例中，复合材料层54可以由经由三维打印系统形成的多个行形成。例如，图4是示出了在X方向上的碳-碳复合材料部件50的层54X₄的示例截面的示意图，其可以表示复合材料层54的相应层中的每一层的构造。如图所示，层54X₄包括在x轴方向上并排对齐的多个单独复合材料行56X₁、56X₂、56X₃、56X₄、……和56X_y（下面统称为“复合材料行56”），其中，y是在x轴方向上的单独行的总数。此外，复合材料行56中的每个单独行通过使用三维打印系统由多个碳纤维和碳化的基体材料55来形成。复合材料行56结合在一起以在x-y平面中形成层54X₄，该x-y平面还包括在z轴方向上的层厚度。

可以在任何合适的构造中沉积复合材料行56以在x-y平面中形成层54X₄。例如，复合材料行56可以是以格形式、同心圆（例如，从碳-碳复合材料部件50的ID到OD），或者以盘绕形式（例如，从碳-碳复合材料部件50的ID到OD）形成的线性行，与同心圆形式相比，这可以允许对复合材料52进行连续沉积和碳化。单独复合材料行56可以具有任何合适的宽度和截面形状，该宽度和该截面形状都可以取决于三维打印头的设计，并且可以基于通过过程形成的碳-碳复合材料部件50的设计意图而选择。在一些示例中，复合材料行56可以是大体上圆形的、椭圆形的、矩形的、三角形的或者其它合适形状的截面，并且可以具有一英寸的约5/16（约7.9375毫米（mm））至一英寸的约1/8（约3.175 mm）的宽度。

可以经由任何合适的三维打印过程形成组成碳-碳复合材料部件50的复合材料层54的每一单独层和复合材料行56的单独行。在一些示例中，在三维打印过程期间，在三维空间中迭代地形成复合材料层54和复合材料行56以生成具有期望几何结构的碳-碳复合材料部件50，诸如，图2所示的具有厚度（T）的环形圈。在一些示例中，碳-碳复合材料部件50可以具有约4英寸（约10.16 cm）至约18英寸（约45.72 cm）的内径（ID），和约10英寸（约25.4 cm）至约30英寸（约76.2 cm）的外径（OD），以及约0.5英寸（约1.27 cm）至约2.5英寸（约6.35cm）的厚度（T）。也考虑了其它范围和几何结构。

虽然关于下面所讨论的三维打印系统进行了描述，但是可以使用任何合适的三维打印系统，该任何合适的三维打印系统构造为在碳纤维上沉积树脂，然后使树脂碳化以使用三维打印技术来形成碳-碳复合材料部件50的碳化的基体材料55。图5是示出了示例三维打印系统60的示意图，在本公开的情况下，该示例三维打印系统60可以用于经由三维打印过程形成碳-碳复合材料部件50。为了便于描述，在挤压沉积系统方面描述系统60。然而，也考虑了用于形成碳-碳复合材料部件50的其它系统。

如图所示，系统60包括复合材料混合物进给装置62，该复合材料混合物进给装置62将包含与以大批量形式的树脂混合碳纤维（例如，碳纤维或者碳纤维前体）的复合材料混合物61输送至挤出机64。挤出机64包括构造为在工作表面66上沉积复合材料混合物61的打印头68。系统60还可以包括控制器70和一个或者多个控制臂72。控制器70可以构造为操作地控制一个或多个控制臂72来帮助沉积和碳化复合材料混合物61。一个或者多个控制臂72可以机械地构造为：通过控制打印头68、碳化器74和/或工作表面66在三维空间中的位置来相对于工作表面66定位打印头68和碳化器74。系统60还可以包括碳化器74，该碳化器74可以构造为加热在工作表面66上沉积的复合材料混合物61的局部部分（例如，由集中的激光束的面积限定的材料的相对小的部分）以引起树脂碳化，并且如果需要，则引起碳纤维碳化。

在一些示例中，复合材料混合物62可以是预制小球或者预制复合材料混合物61的盘绕圈的形式。可以按照允许加热的材料流出由可移动打印头68所限定的一个或者多个出口的方式通过挤出机64将复合材料混合物61加热至使复合材料混合物61熔化（例如，至液态或者在其它方面使复合材料混合物61软化）的温度。可以直接在工作表面66上或者间接在工作表面66上沉积（例如，在先前形成的一个或者多个复合材料层54上沉积）流出打印头68的复合材料混合物61。可以经由碳化器74顺序地加热沉积的复合材料混合物61以引起在复合材料混合物61中的树脂碳化（并且在某些情况下，引起碳纤维碳化）以产生复合材料52的碳化的基体材料55。可以通过调整打印头68和碳化器74在三维中相对于工作面66的位置来重复该过程，该工作表面66贯穿三维打印过程支撑所沉积的层。在打印过程期间以连续的或者不连续的基础可以经由打印头68沉积复合材料混合物61并且经由碳化器74使该复合材料混合物61碳化。在一些示例中，可以在十字头挤出系统中执行熔化和挤出步骤。经由碳化器74对沉积的复合材料混合物61进行的碳化可以与经由打印头进行的沉积结合进行（例如，打印头68和碳化器74与相同的可移动设备连接）或者独立于经由打印头68沉积复合材料混合物61而进行（例如，打印头68和碳化器74由独立的控制臂72操作）。

在图5所示的示例中，系统60包括控制器70，该控制器70可在三维打印过程期间控制系统60的操作以提供具有期望几何结构的碳-碳复合材料部件50。例如，在沉积期间，控制器70可以控制可以附接至可移动打印头68和碳化器74的一个或者多个控制臂72的移动，以控制复合材料混合物61相对于工作表面66的沉积和经由碳化器74对复合材料混合物61进行的碳化。以这种方式，控制器70可以控制从打印头68流出到工作表面66上的复合材料混合物61在三维空间中的相对位置。在沉积复合材料混合物61之后，控制器70可以控制碳化器74在三维空间中的相对位置以引起在复合材料61中包括的树脂碳化并且，如果需要，引起碳纤维碳化以形成碳-碳复合材料部件50的复合材料52，例如，通过沉积和碳化复合材料行56和复合材料层54。可以采用步进电机或者伺服电机来使打印头68和碳化器74移动并且调整复合材料混合物61流出打印头68的流动。控制器70可以构造为控制一个或者多个控制器臂72的位置以使打印头68和碳化器74在x轴、y轴和z轴方向上共同地或者独立地移动。另外，控制器70可以控制附加沉积过程的一个或者多个其它因素，例如，复合材料混合物进给装置62和/或复合材料混合物61在系统60内的一个或多个位置处的温度、从复合材料混合物进给装置62到挤出机64的进给时间、打印头68的位置和/或复合材料混合物61流出打印头68的流速、碳化器74的三维位置、碳化器74的温度和操作以及系统60的其它特征。

在一些示例中，控制器70可以包括一个微处理器或者多个微处理器，其能够响应于所接收和/或所存储的数据执行和/或输出指令信号。控制器70 包括一个或者多个处理器，该一个或者多个处理器包括一个或者多个微处理器、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者离散逻辑电路系统以及这些部件的任何组合。术语“处理器”或者“处理电路系统”通常可以指单独使用的或者与其它逻辑电路系统结合使用的前述逻辑电路系统或者任何其它等效电路系统中的任何一个。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/或闪存）或者用于运行应用和处理数据以控制与系统60相关联的操作的任何其它部件。由此，在一些示例中，控制器70可以包括作为硬件、软件和/或固件存储在一个或者多个存储器、存储装置和/或微处理器内的指令和/或者数据。在一些示例中，控制器可以使用在微处理器上运行的计算机辅助制造（CAM）软件包来控制打印头68和碳化器74。控制器60可以包括多个控制器或者仅仅单个控制器。

系统60还包括碳化器74。术语碳化器用于描述一种装置，其构造为加热在工作表面66上沉积的复合材料混合物61的局部区域（例如，约0.01 mm至约1 mm的直径的材料的相对小的区域至包括约1 mm至约10 mm的直径的材料的相对大的区域）以引起树脂碳化，并且在某些情况下，使包含在沉积的复合材料混合物61中的碳纤维（例如，碳纤维前体材料）碳化。加热树脂超过其碳化温度（例如，约450℃以上）使得树脂经历热解反应，其中，树脂的分子键开始作为气体打破释放材料（例如，有机材料，诸如，氢和氧）并且留下大体上纯的碳结构（例如，炭）。剩下的碳帮助致密所产生的碳-碳复合材料部件50并且提高所产生的碳-碳复合材料部件50的耐久性。在一些示例中，可以在大体上无氧的环境中进行碳化过程，从而避免任何不需要的支氧化反应。在这种示例中，系统60可以包含例如在无氧环境（例如，真空或者氮环境）中或者构造为在碳化过程期间使系统60在工作表面66上生成无氧环境（例如，通过建立真空或者利用惰性气体来覆盖工作表面66）。

在一些示例中，在系统60中使用的碳化器74可以是聚焦等离子体炬的形式，该聚焦等离子体炬构造为将热量（例如，将约0.1 mm至约10 mm的区域现场加热至超过约450℃的温度（例如，超过树脂的碳化温度600℃））输送至沉积的复合材料混合物61的局部区域，以快速提升复合材料61的局部区域的温度，从而使树脂碳化并且将树脂转换为碳化的基体材料。在一些示例中，碳化器74（例如，等离子体炬）加热树脂的局部区域并且使该局部区域碳化所花去的时间可能是几乎瞬间的，例如，实现不到2秒的碳化。在载运气体选择为非氧化性（例如，氮气、氩气等）来避免所产生的复合材料52的不需要的氧化的情况下，任何合适的等离子体炬可以用作碳化器74。一旦碳化器74将树脂的局部区域转化为碳化的基体材料55，控制器70就可以操作一个或者多个控制臂72来使碳化器74相对于工作表面66移动以继续碳化过程，直到碳化器74将整个树脂层转换为碳化的基体材料55。在一些示例中，碳化器74也可以构造为使在复合材料61中包括的其它材料碳化，包括例如用于形成碳纤维53的任何前体碳纤维材料。

在一些示例中，在系统60中使用的碳化器74可以包括集中的激光，其构造为将热量输送至沉积的复合材料混合物61的局部区域以快速提升复合材料混合物61的局部区域的温度，从而使树脂碳化并且将树脂转换为碳化的基体材料。在一些示例中，碳化器74（例如，集中的激光）加热树脂的局部区域并且使该局部区域碳化所花去的时间可以是几乎瞬间的，例如，实现不到2秒的碳化。用作碳化器74的集中的激光可以包括适合于这种应用的任何类型的激光，该激光包括例如CO₂激光、镱（Yb）激光、Nd:YAG激光等。在一些示例中，可以将集中的激光相邻地安装在打印头68上。在这种示例中，在沉积后续材料滴之前进行沉积之前，可以经由碳化器74使包含来自打印头68的树脂的新近沉积的材料滴碳化。在其它示例中，可以将集中的激光安装在系统60中的其它地方，其中，使用例如光纤来与打印头68相邻地传递来自激光器的光。此外，一旦碳化器74将树脂的局部区域转换为碳化的基体材料55，控制器70就可以操作一个或者多个控制臂72来使碳化器74相对于工作表面66移动以继续碳化过程，直到碳化器74将整个树脂层转换为碳化的基体材料55。

在一些示例中，在系统60中使用的碳化器74包括感应热源或者其它装置，该其它装置构造为将热量传递至沉积的复合材料混合物61的局部区域以快速提升复合材料混合物61的局部区域的温度，从而使树脂碳化并且将树脂转换为碳化的基体材料。在一些示例中，与使用集中的激光形式的碳化器74相比较，可以将感应热源应用于沉积的材料（例如，复合材料混合物61）的较大区域。在包含以感应热源形式的碳化器74的这种示例中，系统60可以构造为经由打印头68沉积局部的复合材料61的较大区域（例如，创建约1 mm至约10 mm的表面覆盖率的多个材料滴或者材料微滴），然后使包含树脂的复合材料61的较大区域碳化。此外，一旦碳化器74将树脂的局部区域转换为碳化的基体材料55，控制器70就可以操作一个或者多个控制臂72来使碳化器74相对于工作表面66移动以继续碳化过程，直到碳化器74将整个树脂层转换为碳化的基体材料55。

在一些示例中，可以将碳化器74定位为与打印头68相邻。在这种构造中，系统60可以构造为进行迭代树脂（例如，使包含诸如复合材料混合物61的树脂的材料倾斜）沉积和碳化过程，从而使打印头68沉积相对少量的材料（例如，复合材料混合物61），诸如，材料微滴或者材料滴，然后在打印头68顺序地沉积数量相对小的附加材料之前经由碳化器74对新近沉积的材料进行几乎瞬间的碳化。在一些示例中，可以与先前沉积的材料相邻地（例如，图3的x-y平面）侧向沉积随后沉积的材料，从而继续在x-y平面中形成复合材料层54中的一层。在其它示例中，可以在先前沉积的材料上（例如，在图3的z轴方向上）沉积随后沉积的材料，从而继续在z轴方向上形成复合材料层54中的一层，以有助于层的厚度。

在一些示例中，碳化器74可以构造为在单一的时间内使复合材料层54中的多于一层碳化。例如，在打印头68在工作表面66上沉积多于一层复合材料混合物61之后，可以将碳化器74的参数（例如，加热区域、功率/强度、加热时间）设置为：在沉积的层的表面直接加热较长一段时间（例如，几秒至几分钟）以允许直接热量渗透多个沉积的材料层并且使该多个沉积的材料层碳化以形成复合材料52。

如上所述，代替经由三维打印系统60的打印头69沉积复合材料混合物61，在一些示例中，三维打印系统可以构造为沉积多个单独碳纤维53，每个单独碳纤维53涂布有树脂，并且经由碳化器74使树脂碳化以形成复合材料52。例如，图6是示出了另一示例三维打印系统100的示意图，例如，该另一示例三维打印系统100用于通过沉积多个单独碳丝或者前体碳丝（统称为“碳丝”）来形成碳-碳复合材料部件50，其中，每个碳丝涂布有树脂。三维打印系统100包括至少一个打印头68、工作表面66、碳化器74、控制器70和一个或者多个控制臂72，它们的功能与关于系统60（图4）所描述的功能大体上相同或者相似。

然而，与系统60（图4）不同，系统100包括树脂进给装置102、碳丝进给装置104和挤压成型模块106。在这种构造中，在控制器70的控制下，系统100可以构造为使用挤压成型模块106利用来自树脂进给装置102的树脂来涂布来自碳丝进给装置104大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝。一旦被涂布，模块106就可以将大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）涂布的丝切成涂布有树脂的单独碳丝，可以经由至少一个打印头68直接或者间接在工作表面66上沉积该碳丝以形成涂布有树脂的碳丝层。在离开打印头68之前或者之后，可以通过系统60切割大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）涂布的碳丝。

在沉积在工作表面66上之后，可以按照与关于系统60（图4）描述的方式大体上相同或者相似的方式利用碳化器74来加热涂布有树脂的碳丝，以引起树脂碳化并且在某些情况下，使碳丝碳化以形成复合材料52。

图7是示出了并入系统100以涂布具有树脂的碳丝的示例挤压成型模块106的各个方面的示意图，该碳丝然后切成单独涂布的碳丝。如图所示，通过树脂涂布器108从碳丝进给装置104进给大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝。来自碳丝进给装置104的大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝可以是例如单独的丝或者碳丝束，例如，盘绕在辊子上的碳丝束。代替通过树脂涂布器108“推动”连续的碳丝，拉动模块110通过树脂涂布器108“拉动”来自碳丝进给装置104的碳丝。拉动模块110可以采用用于通过树脂涂布器108拉动碳丝的一个或者多个合适的机构，诸如，例如，履带式拉动器（caterpillarpuller）或者往复拉动器（reciprocating puller）。

虽然穿过树脂涂布器108，但是利用由树脂进给装置102提供的树脂来涂布连续的碳丝。例如，树脂涂布器108可以采取充满来自树脂进给装置102的液态树脂的树脂浴的形式。拉动模块110通过树脂浴中的树脂拉动来自碳丝进给装置104的连续的碳丝，例如以利用树脂来涂布丝的外部。在离开树脂涂布器108之后，大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝可以具有表现出任何合适的厚度的树脂涂层。例如，可以经由空气冷却淬火使在大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝上的树脂冷却以凝固树脂涂层或者降低树脂涂层的粘度。

随后，拉动模块110将涂布的碳丝进给至打印头68。在离开打印头68之后，切割模块112将大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝切割/切碎成涂布有树脂的单独碳丝，然后经由打印头68将该单独碳丝沉积在工作表面66上并且经由碳化器74使该单独碳丝碳化。切割模块112可以包括任何合适的碳纤维切割/切碎技术，诸如，例如，具有切割轮的纤维切碎机。可以将单独的碳丝切成任何合适的长度。例如，可以将大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）涂布的碳丝切成单独的涂布的碳丝，该碳丝具有一英寸的约1/16（约1.5875 mm）至约3英寸（约7.62 cm）、例如一英寸的约1/8（约3.175 mm）至约3英寸（约7.62 cm）的长度。可以选择涂层相对于碳丝的直径的厚度以为上述层提供树脂和碳丝的组成范围。

在图6所示的示例中，系统100构造为涂布大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝并且将丝切成单独的涂布的碳丝。在其它示例中，三维打印系统可以构造为接纳预涂布的大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝，然后对该碳丝进行切割并且随后经由打印头68沉积该碳丝。在其它示例中，在将碳丝进给至三维打印系统100中以经由打印头68进行沉积并且随后经由碳化器74进行碳化之前，对该碳丝进行预涂布和预切割。

在一些示例中，可以独立于用于形成碳化的基体材料55的树脂在工作表面66上沉积碳纤维53。例如，图8是示出了示例三维打印系统120的示意图，该示例三维打印系统120可以用于最初形成碳纤维层53中的一层，然后对在最初形成的碳纤维53上的树脂随后进行沉积和碳化。可以重复该过程以形成具有期望几何结构的碳-碳复合材料部件50。

在一些示例中，用于形成复合材料层54的碳纤维53可以形成为上述预制片。在这些示例中，在将用于形成复合材料层54中的单独层的碳纤维的片添加至工作表面66（例如，直接或者间接添加至工作表面66）之后，经由打印头68在碳纤维的片上沉积来自树脂进给装置102的树脂、然后通过在使树脂碳化并且如果需要经由碳化器74使碳纤维碳化来致密该片。

在一些示例中，打印系统120可以构造为在利用树脂进行致密之前也形成多层碳纤维。以这种方式，可以通过首先经由构造为沉积碳纤维材料的系统120的至少一个打印头（图8中未示出）在工作表面66上沉积碳纤维材料的多级过程形成复合材料52的复合材料层54。例如，系统120可以包括碳纤维材料进给装置，从而可以直接在工作表面66上沉积碳纤维材料以例如形成第一碳纤维材料层，或者例如在复合材料52的先前形成的复合材料层54上形成沉积的碳纤维材料层的情况下，间接在工作表面66上沉积碳纤维材料。通过利用三维打印系统120来形成附加碳纤维层，可以形成z轴纤维（例如，在图3的z轴方向上延伸的纤维）以允许在相邻的复合材料层54之间的连接，这可以提供所产生的碳-碳复合材料部件的提高的强度，从而减少使层分层的机会。在沉积碳纤维材料之后，控制器70可以操作树脂进给装置102和打印头68来在新近沉积的碳纤维材料上沉积树脂。然后，可以对碳化器74进行接合以使新近沉积的树脂碳化，从而形成复合材料层54的碳化的基体材料55。在一些示例中，如果需要，碳化器74也可以使碳纤维材料碳化，以将任何碳纤维前体材料转换为碳纤维53。

在一些示例中，每个新添加的碳纤维层或者片可以是大体上平面的，例如，平面的或者几乎平面的。在其它示例中，添加的碳纤维（72）层可以是非平面的，例如，呈波纹状的或者波纹的碳纤维层。非平面碳纤维层可以提供对层分层的抵抗，尤其当附加碳纤维层包括上述预制片。

如图8所示，系统120包括树脂进给装置102，该树脂进给装置102将树脂材料进给至至少一个打印头68，该至少一个打印头68在工作表面66上沉积树脂。在工作表面66上沉积树脂之后，可以经由碳化器74使树脂碳化，以按照与上面关于系统60而描述的技术相似的方式将树脂转换为碳化的基体材料55。在一些示例中，树脂材料可以是树脂材料的预制小球或者盘绕圈的形式。树脂进给装置102然后可以将树脂材料加热至熔化树脂材料的温度或者在其它方面以允许加热的材料流出由打印头68限定的一个或者多个出口的方式使树脂材料软化。例如，打印头68可以包括限定一个或者多个开口的模具，在三维打印过程期间通过该一个或者多个开口迫使树脂材料流出（例如，通过施加压力）。打印头68的模具的一个或者多个开口可具有允许打印的树脂材料在经由例如挤出过程被迫流出打印头68时具有期望截面。

可以将流出打印头68的树脂材料朝着工作表面66引导，其中，例如，在树脂沉积过程期间可以对碳纤维层进行定位。可以将流出打印头68的树脂材料引导至相对于碳纤维层的期望位置，以通过使用沉积的树脂材料的期望方式来使碳纤维层渗入和致密。在三维打印过程期间可以在连续的或者不连续的基础上经由至少一个打印头68沉积树脂材料，并且可以通过使用一个或者多个控制臂72在连续的或者不连续的基础上调整打印头68在工作表面66上三维空间中相对于碳纤维层的位置。

在一些示例中，沉积的树脂材料在经过经由碳化器74的碳化之前可以允许被冷却和凝固。在这些示例中，打印头68和碳化器74相对于工作表面66的三维定位可以由一个或者多个控制臂72单独地操作。在其它示例中，在碳纤维层上沉积树脂材料之后，可以使该沉积的树脂材料立即碳化。在这些示例中，可以将打印头68和碳化器74的三维定位定位为彼此相邻（例如，在相同的可移动平台上），并且可以使用同一个或者多个控制臂72来操作该三维定位。

参照图5至图8描述的系统仅仅是三维打印系统的一些示例，该三维打印系统可以用于在工作表面上沉积碳纤维（例如，碳纤维、碳纤维材料或者碳纤维前体材料）和树脂，并且随后使树脂碳化，并且如果需要，使碳纤维碳化以形成复合材料52的多层碳-碳复合材料部件50。也考虑了用于形成根据本公开的示例的复合材料52层的其它系统或者系统的组合。例如，（Fryska等人）于2015年5月13日提交的标题为“Carbon Fiber Preforms”的美国专利序列第14/711,550号描述了使用可以与本文所描述的技术一起使用的三维打印机来形成碳纤维和树脂的层的示例，该申请的全部公开内容以引用的方式并入本文；（Troester等人）于2015年5月13日提交的标题为“Carbon Fiber Preforms”的美国专利申请序列第14/711,426描述了使用可以与本文所描述的技术一起使用的三维打印机来形成碳纤维层，该申请的全部公开内容以引用的方式并入本文；（Troester等人）于2015年5月13日提交的标题为“Multilayered Carbon-Carbon Composite”的美国专利申请序列第14/711,590号描述了使用可以与本文所描述的技术一起使用的三维打印机来形成碳纤维和树脂的层的示例，该申请的全部公开内容以引用的方式并入本文；（La Forest等人）于2015年5月13日提交的标题为“Carbon Fiber Preforms”的美国专利申请序列第14/788,271号描述了使用可以与本文所描述的技术一起使用的三维打印机来形成碳纤维和树脂的层的示例，该申请的全部公开内容以引用的方式并入本文；并且（Fryska等人）于2015年5月13日提交的标题为“Carbon Fiber Preforms”的美国专利申请序列第14/711,508号描述了使用可以与本文所描述的技术一起使用的三维打印机来形成碳纤维层的示例，该申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。

图9是示出了通过使用根据本公开的各个方面的三维打印系统来沉积复合材料层并且使复合材料碳化的示例技术的流程图。为了便于说明，将图9的示例技术描述为是经由图5的打印系统60进行的；然而，也考虑了适合于执行三维打印以形成碳-碳复合材料的其它系统。

如图所示，系统60的控制器70可以控制复合材料混合物进给装置62、挤出机64和至少一个打印头68的操作以沉积复合材料混合物61，该复合材料混合物61包括与在工作表面66上的树脂混合的碳纤维（122）。在沉积复合材料混合物61之后，控制器70可以控制碳化器74以引起树脂碳化，并且在某些情况下，使复合材料混合物61的碳纤维碳化以形成包括碳纤维53和碳化的基体材料55的复合材料52的第一层（例如，层54X₁）（124）。贯穿过程，控制器70可以经由一个或者多个控制臂72控制打印头68和碳化器74的位置以形成复合材料52的所产生的层。

在形成第一复合材料层之后，控制器70与复合材料混合物进给装置62、挤出机64和至少一个打印头68重新接合以在复合材料52的第一层上沉积附加层复合材料混合物61（126）。控制器70然后可以再次控制碳化器74以引起新近沉积的树脂碳化，并且在某些情况下，使复合材料混合物61的附加层的碳纤维碳化以形成包括碳纤维53和碳化的基体材料55的复合材料52的附加层（例如，层54X₂）（128）。可以按照需要重复步骤（126）和步骤（128）许多次以产生具有期望几何结构的多层碳-碳复合材料部件50（130）。

图10是示出了通过沉积涂布有树脂的碳丝并且使该碳丝碳化，以使用根据本公开的各个方面的三维打印系统形成复合材料52的多个复合材料层54来形成碳-碳复合材料部件50的另一示例技术的流程图。为了便于说明，将图10的示例技术描述为是经由图6和图7的打印系统100进行的；然而，也考虑了适合于执行三维打印以形成碳-碳复合材料的其它系统。

如所示，在一些示例中，系统100的控制器70控制树脂进给装置102、碳丝进给装置104和挤压成型模块106的操作以利用树脂来涂布大体上连续的（例如，连续的或者几乎连续的）碳丝（140）。如上所述，可以使用任何相关装置利用树脂来涂布碳丝。图7示出了示例挤压成型模块106，该挤压成型模块106可以构造为利用上述树脂来涂布碳丝，可以将该碳丝切成单独的涂布的碳丝。在这些示例中，可以通过树脂涂布器108从碳丝进给装置104进给碳丝。代替通过树脂涂布器108“推动”连续的碳丝，拉动模块110通过树脂涂布器108从碳丝进给装置104“拉动”碳丝，该树脂涂布器108将碳丝浸入在充满来自树脂进给装置102的液态树脂的树脂浴中。在离开树脂涂布器108之后，碳丝可以具有表现出任何合适的厚度的树脂涂层。如上所述，在一些示例中，可以利用树脂预涂布来获得碳丝，从而在工作表面66上沉积涂布的碳丝之前不需要涂布碳丝（140）（142）。

一旦制成涂布的碳丝，然后就可以经由例如拉动模块110将涂布的碳丝进给至打印头68，其中，在工作表面66上沉积涂布的碳丝（142）。在一些示例中，在工作表面66上沉积涂布的碳丝之前或者在工作表面66上沉积涂布的碳丝时可以将涂布的碳丝切成多个涂布的碳丝（142）。在工作表面66上沉积涂布的碳丝（142）之后，控制器70可以控制碳化器74以引起沉积的涂布的碳丝碳化，从而将树脂转换为碳化的基体材料55，并且如果需要，使碳丝碳化以形成碳纤维53（144），从而形成第一复合材料52层（例如，层54X₁）。此外，贯穿过程，控制器70可以经由一个或者多个控制臂72控制打印头68和碳化器74的位置以形成复合材料52的所产生的层。

接下来，控制器70可以操作打印头68以在第一复合材料52层上沉积以例如涂布的碳丝层的形式的附加涂布碳丝（146）。然后，可以经由上述碳化器74使新近沉积的涂布的碳丝碳化以在第一复合材料52层上形成附加复合材料52层（148）。可以按照需要重复步骤（146）和步骤（148）许多次以产生具有期望几何结构的多层碳-碳复合材料部件50（150）。

图11是示出了根据本公开的各个方面的另一示例技术的流程图，该另一示例技术首先通过在三维打印机的工作表面上沉积碳纤维、然后在碳纤维上沉积树脂并且随后使用三维打印机的碳化器来使树脂碳化以形成复合材料52的多个复合材料层54来形成碳-碳复合材料部件50。为了便于说明，将图11的示例计算描述为是经由图8的打印系统120进行的；然而，也考虑了适合于执行三维打印以形成碳-碳复合材料的其它系统。

如图11所示，首先在工作表面66上沉积碳纤维（160）。如上所述，在一些示例中，可以将碳纤维预制为碳纤维片，该碳纤维片用作形成复合材料层54的每个相应层的碳纤维53的基础。在其它示例中，如上所述，系统120可以构造为使用碳纤维材料进给装置和相关的打印头（未示出）来在工作表面66上沉积碳纤维（160），以通过使用三维打印过程来沉积碳纤维材料。一旦在工作表面66上沉积碳纤维（160），控制器70就可以控制系统120的树脂进给装置102和打印头68以在新近沉积的碳纤维上沉积树脂，从而允许树脂至少部分地渗入碳纤维（162）。控制器70然后可以控制碳化器74以引起树脂碳化，从而形成碳化的基体材料55，并且如果需要，使碳纤维碳化以形成碳纤维53（164），从而形成第一复合材料52层（例如，层54X₁）。此外，贯穿过程，控制器70可以经由一个或者多个控制臂72控制打印头68和碳化器74的位置以形成复合材料52的所产生的层。

接下来，可以使用例如上述技术中的一种技术来在新近形成的第一复合材料52层上沉积附加碳纤维（166）。控制器70可以再次控制树脂进给装置102和打印头68以在新添加的碳纤维上沉积树脂，从而允许树脂至少部分地渗入附加碳纤维（168）。控制器70然后可以控制碳化器74以引起树脂碳化，从而在第一复合材料52层上形成附加复合材料52层（170）。可以按照需要重复步骤（166）至步骤（170）许多次以产生具有期望几何结构的多层碳-碳复合材料部件50（172）。

已经描述了用于形成碳-碳复合材料的不同技术的示例。在不同的示例中，本公开的技术可以实施在不同硬件、软件、固件或者它们的任何组合中。在一些示例中，本公开的技术可以实施在一个或者多个处理器内，该一个或者多个处理器包括一个或者多个微处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）、或者任何其它等效的集成或者离散逻辑电路系统以及这些部件的任何组合。在一些示例中，本公开的技术也可以嵌入或者编码在包含指令的计算机可读介质（诸如，计算机可读存储介质）中。嵌入或者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者其它处理器执行方法，例如，当执行指令时。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）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、闪存、硬盘、CD-ROM、软盘、盒式磁带、磁介质、光介质或者其它计算机可读介质。

已经描述了各个示例。这些和其它示例在所附权利要求书的范围内。

Claims

1.一种用于形成摩擦材料的方法，该方法包括：

在三维打印系统的工作表面上沉积第一材料层，其中，所述第一材料层包括树脂和碳纤维或者碳纤维前体材料中的至少一个，以及其中，沉积所述第一材料层包括经由所述三维打印系统的至少一个打印头在所述工作面上沉积所述树脂；

使所述第一材料层的所述树脂碳化以形成第一碳-碳复合材料层，所述第一碳-碳复合材料层包括碳纤维和碳化的基体材料，其中，使所述树脂碳化包括使用所述三维打印机系统的碳化器来使所述第一材料层的所述树脂的局部部分碳化以将所述树脂转换为所述碳化的基体材料；

在所述第一碳-碳复合材料层上沉积附加材料层，所述附加材料层包括所述树脂和所述碳纤维或者所述碳纤维前体材料中的至少一个，以及其中，沉积所述附加材料层包括经由所述三维打印系统的所述至少一个打印头在所述第一碳-碳复合材料层上沉积所述树脂；以及

使用所述碳化器来使所述附加材料层的所述树脂的局部部分碳化以将所述附加材料层的所述树脂转换为所述碳化的基体材料。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积所述第一材料层包括：

沉积所述碳纤维或者所述碳纤维前体材料中的所述至少一个的纤维层，其中，沉积所述碳纤维或者所述碳纤维前体材料中的所述至少一个的所述纤维层包括经由所述三维打印系统的所述至少一个打印头沉积所述纤维层；以及

经由所述三维打印系统的所述至少一个打印头在所述纤维层上沉积所述树脂。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，沉积所述第一材料层包括：

利用所述树脂来涂布碳丝以形成涂布的碳丝，其中，所述碳丝包括所述碳纤维或者所述碳纤维前体材料中的至少一个；以及

经由三维打印系统的所述至少一个打印头在所述三维打印系统的所述工作表面上沉积所述涂布的碳丝以形成所述第一材料层。