CN107043268A - 在复合材料中形成通道的牺牲纤维 - Google Patents

Abstract

本发明涉及在复合材料中形成通道的牺牲纤维。提供了一种碳纤维预制件，其包括堆叠在一起的多个纤维层和将多个纤维层粘合在一起的多个牺牲纤维，其中多个纤维层中的至少一个纤维层包括多个碳纤维或碳纤维母体纤维。

Description

在复合材料中形成通道的牺牲纤维

本申请是申请日为2015年9月1日、申请号为201510550470.X、发明名称为“在复合材料中形成通道的牺牲纤维”的发明专利申请的分案申请。

本申请是2014年9月2日提交的、题为“在复合材料中形成通道的牺牲纤维”的美国专利申请No.14/475,181的继续申请。美国专利申请No.14/475,181的全部内容通过引用的方式结合于本文中。

技术领域

本发明涉及复合材料的制造。

背景技术

在一些预制件和碳-碳复合材料制造工艺中，在正在处理的预制件或预制件母体内部可能产生气体，或者，这些制造工艺可能利用气体或液体从外部穿透预制件。气体可以穿透或撤出预制件的速度能够尤其取决于气体扩散速度和预制件的孔隙度。

发明内容

总的来说，本发明描述了在碳-碳复合材料的母体中采用牺牲纤维的技术，这些牺牲纤维可以大体上从纤维混合物中清除，通过加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度。在一些示例中，该牺牲纤维可以混合、结合成丝束、刺或以其它方式与碳纤维母体纤维或碳纤维结合形成工件，例如预制件、纺织或无纺织物、复合部件或其中间物。牺牲纤维的加热可以导致在工件中形成通道形式的附加孔隙度。增大的孔隙度可以允许气体、液体或其它挥发物相对于正在处理的工件的内部部分的增强进和/或出。

在一些示例中，本发明的技术可以包括加热包含牺牲纤维和多个碳纤维母体纤维的纤维混合物到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，以大体上从纤维混合物中清除牺牲纤维并且在预制件母体中在多个碳纤维母体纤维之间在牺牲纤维的位置处形成多个通道。这个示例技术还可以包括碳化该多个碳纤维母体纤维以形成包含多个通道的多孔碳纤维预制件。

在本发明的另一示例中，一种技术包括加热包含牺牲纤维和碳纤维的纤维混合物到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，以大体上从混合物中清除牺牲纤维并且在碳纤维预制件中在碳纤维之间在牺牲纤维的位置处形成多个通道。这个示例技术同时可以包括渗透致密剂到碳纤维预制件的至少多个通道中。

在本发明的另一示例中，一种物品包括纤维混合物，该纤维混合物包含多个牺牲纤维，和多个碳纤维母体纤维或多个碳纤维，其中，每个牺牲纤维具有在约170摄氏度与约400摄氏度之间的大体清除温度。

在下面的附图和描述中阐述本发明的一个或多个实施例的详细内容。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，示出形成多孔碳纤维预制件的示例技术。

图2是概念图，示出具有圆盘形几何结构的示例多孔预制件母体。

图3是概念图，示出图2的示例多孔预制件母体的横向剖视图。

图4是特写概念图，示出图3中标出的示例预制件母体的区段A。

图5是特写概念图，示出图3中标出的示例预制件母体在清除了牺牲纤维之后的区段A。

图6是概念图，示出示例多孔碳纤维预制件的横向剖视图。

图7是特写概念图，示出图6中标出的示例多孔碳纤维预制件的区段A。

图8是特写概念图，示出图6中标出的示例多孔碳纤维预制件的区段A，在渗透了致密剂到预制件内形成的多个通道和多个气孔之后。

图9是流程图，示出形成渗透碳纤维预制件的示例技术。

图10是概念图，示出示例多孔碳纤维预制件的横向剖视图。

图11是概念图，示出示例渗透碳预制件的横向剖视图。

具体实施方式

总的来说，本发明描述了采用牺牲纤维的技术，牺牲纤维可以被加热以大体上从碳-碳复合材料的母体中清除。在一些示例中，该牺牲纤维可以混合、结合成丝束、刺或以其它方式与碳纤维母体纤维或碳纤维结合以形成工件，例如预制件、纺织或无纺织物、复合部件或其中间物。牺牲纤维的加热以大体上清除它们可以导致在工件中形成通道形式的附加孔隙度。相对于正在处理的工件的内部部分，增大的孔隙度可以允许气体、液体或其它挥发物的增强进和/或出。

在一些示例中，一种技术可以包括加热包含牺牲纤维和碳纤维母体材料的纤维的纤维混合物，其中，通过以约170摄氏度与400摄氏度之间的温度加热，牺牲纤维可以大体上被清除（例如熔化或燃烧）。例如，预制件母体可以包括含有聚合材料的纤维，该聚合材料具有约170摄氏度与约400摄氏度之间的软化温度，例如聚乙烯或聚丙烯纤维。作为其他的示例，牺牲纤维可以包括大麻纤维、草纤维、木材纤维、棉纤维、含有有机材料的纤维等等。在这样的示例中，一旦被加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，牺牲纤维可以灰化或燃烧，从而，可以忽略的灰或没有灰保留在牺牲纤维所在的地方。该牺牲纤维可以例如与碳纤维母体编织来形成织物，以无纺的形式与碳纤维母体结合，可以刺入纺织或无纺织物或短碳纤维母体中，或者所有纤维可以被切短并且混合以形成预制件。合适的碳纤维母体纤维可以包括聚丙烯腈（PAN）纤维或沥青纤维。

当碳纤维母体纤维正在碳化时，或在处理预制件的在先步骤中，牺牲纤维可以被加热从而使它们大体上从纤维混合物中清除。这可以在预制件中留下增大的孔隙度，其可以缩短气体在预制件或预制件母体内的扩散路径。在一些示例中，增大的孔隙度（例如，在清除了的牺牲纤维的位置处的通道）可有利于后续的稳定和/或致密步骤。例如，如果沥青使用本文公开的技术渗入已经形成的预制件的气孔和通道中，当预制件被加热以稳定沥青时，沥青可能在通道、气孔或这两者内收缩，形成裂隙网，氧气能够流过这个裂隙网来参与该稳定反应，相比于不是根据本文公开的技术所制造的预制件而言。在一些示例中，采用包括牺牲纤维的预制件可以缩短稳定过程和制造碳-碳复合材料的整体伴随时间。

在一些示例中，一种技术可以包括加热包含牺牲纤维和碳纤维的纤维混合物到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度以大体上清除牺牲纤维（例如通过熔化或烧掉），在碳纤维预制件中在碳纤维之间在牺牲纤维的位置处留下通道。在一些示例中，牺牲纤维可以包括具有约170摄氏度与约400摄氏度之间的软化温度的聚合材料。在一些示例中，与这个示例中的牺牲纤维混合的碳纤维可以涂覆有树脂，例如酚醛树脂。这个示例技术可以包括渗透致密剂（例如沥青）到至少碳纤维预制件的通道中。在一些示例中，沥青例如通过经由多个通道中的至少一些暴露于氧气可以被稳定，然后碳化。包含所描述通道的碳纤维预制件可以防止在最终的复合部件中形成裂缝或空隙，可以缩短稳定过程和制造碳-碳复合材料的整体时间，或这两者。

图1是流程图，示出形成多孔碳纤维预制件的示例技术。在一些示例中，技术包括加热含有牺牲纤维22和多个碳纤维母体纤维24的纤维混合物18到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度以大体上清除牺牲纤维并且形成多个通道（4），如下文更详细描述的（见图3-5）。

图2是概念图，示出具有圆盘形几何结构的示例多孔预制件母体8。在一些示例中，如图2所示，多孔预制件母体8可以具有大致圆盘形几何结构，从而，由多孔预制件母体8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，多孔预制件母体8和由此制造的多孔预制件可以限定出不同的几何结构。例如，多孔预制件母体8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。

多孔预制件母体8包括圆盘形多孔体10，带有贯穿圆盘形多孔体10的轴向厚度的中央孔12。在一个示例中，多孔预制件母体8具有在孔12处的内径ID、在外缘14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。多孔预制件母体8包括纤维混合物18（见图4），例如，牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24或碳纤维的混合物。

在一些示例中，图2的多孔预制件母体8的表面可以由模具16限定。例如，模具16可以包括限定出圆盘形凹陷的一个或多个部分，从而，当纤维混合物18布置在模具16内时，纤维混合物18通常限定出三维的圆盘，其轮廓线在图2中示出。在一些示例中，模具16可以包括第一部分，其包括形成多孔预制件母体8的底面和外缘14的表面，以及厚度为T的中央定位的圆柱体，在其位置处留下预制件母体8的孔12。在多孔预制件母体8限定出不同几何结构的一些示例中，模具16还可以限定出不同的几何结构，例如，与多孔预制件母体8的几何结构的负片（negative）相对应的几何结构。

图3是概念图，示出图2所示示例多孔预制件母体8的横向剖视图，其沿多孔预制件母体8的直径截取。多孔预制件母体8的多孔体10可以包括例如纺织、无纺或切短纤维混合物18，它们在多孔体10内形成多个气孔20。多孔体10的孔隙度大体上在多孔体10的整个厚度T上延伸。例如，多孔预制件母体8可以包括包含纤维混合物的物品，如本发明描述的。在一些示例中，这样的物品可以包括纤维混合物18。其它物品可以包括纤维混合物53，如下所述。一种包含纤维混合物18的物品可以包括多个牺牲纤维22，其中，每个牺牲纤维具有在约170摄氏度与约400摄氏度之间的大体清除温度，例如包含在牺牲纤维中的牺牲材料的软化温度或燃点。在一些示例中，这样的纤维混合物18还可以包括如本文描述的，多个碳纤维母体纤维或多个碳纤维。例如，这样的物品可以包括牺牲纤维22，包括热塑性材料，热塑性材料的大体清除温度是热塑性材料的软化温度。作为其他的示例，牺牲纤维22可以包括大麻纤维、草纤维、木材纤维、棉纤维、含有有机材料的纤维等等。在这样的示例中，纤维混合物18还可以包括碳纤维母体纤维，例如聚丙烯腈（PAN）纤维或沥青纤维。

图4示出图3中示出的多孔预制件母体8包括纤维混合物18的区段A的特写概念图。如图4所示，预制件母体8可以包括限定出多个气孔20的纤维混合物18，其中，纤维混合物18包括牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24的混合物。在一些示例中，纤维混合物18可以是大体上均质混合物（例如，整个混合物均质混合的或几乎均质混合的）。例如，在纤维混合物18的一部分或全部中，牺牲纤维22与碳纤维母体纤维24的比例可以是相对恒定的。在一些示例中，牺牲纤维22构成纤维混合物18的总量的约0.5%与约10%之间。

纤维混合物18可以包括牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24。在一些示例中，牺牲纤维22的牺牲材料可以具有约170摄氏度与约400摄氏度之间的软化温度。例如，包含聚合材料的纤维可以具有在约170摄氏度与约200摄氏度之间的软化温度。合适的牺牲纤维22可以包括包含聚合材料多个纤维或包含热塑性材料例如聚乙烯纤维（例如低密度聚乙烯纤维）或聚丙烯纤维的多个纤维。在一些示例中，牺牲纤维22可以包括聚合材料、非聚合材料或这两者。例如，本发明的技术中采用的牺牲纤维可以包括任何纤维材料，其通过在约170摄氏度与约400摄氏度之间的范围中的热处理大体上可被清除（例如，可清除或几乎可清除）。在一些示例中，牺牲纤维可以包括大麻纤维、草纤维、木材纤维、棉纤维、含有有机材料的纤维等等。合适的碳纤维母体纤维24可以包括例如聚丙烯腈（PAN）纤维或沥青纤维。进一步地，加热包含牺牲纤维和多个碳纤维母体纤维的纤维混合物18到约170摄氏度与约400（4）摄氏度之间的温度可包括但不限于在设定为至少约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度的烤箱中加热纤维混合物18。

纤维混合物18可以采取许多形式。例如，纤维混合物18可以通过粘结剂或树脂粘合在一起，纤维混合物18可以形成为粘合或针刺在一起的多个纤维层（未示出），或者纤维混合物18可以机械连接，例如使用针刺法，而不用预先形成为不同的纤维层。纤维混合物18和气孔20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。

牺牲纤维22可以以许多方式与碳纤维母体纤维24（或者，在其它示例中，与碳纤维）混合。例如，纤维混合物18可以包括纺织织物、薄片或丝束，无纺织物、薄片或丝束，或者多个切短纤维。在一些示例中，丝束可以包括1,000与4,000之间的纤维。在一些示例中，当纤维混合物18包括切短纤维时，这些切短纤维可以通过切碎长丝束而形成，在长丝束中牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24（或在一些示例中碳纤维）已经交织。牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24也可以随意混合，而不编织。这样的纤维（包括丝束）可以在混合之前被单独切碎或者在混合之后一起切碎，使用例如短切枪系统（chopper gun system）。

纤维混合物18可以被沉积到模具16中。在一些示例中，分开的牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24（包括但不限于切短纤维）可以在它们被导入模具16之后进行混合。在其它示例中，牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24可以在导入模具16或附加处理之前进行混合。例如，牺牲纤维22和多个碳纤维母体纤维24可以沉积在模具16中并且在模具中混合以形成包含纤维混合物18的预制件母体。作为另一示例，牺牲纤维22（例如低密度聚乙烯纤维）可以并入长丝束中用于制造纺织或无纺织物，用于接合处（layup）以形成预制件。这样的织物可以拥有各向异性。替代地，如所论述的，丝束可以被切碎，从而，牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24可以被随意混合和处理以形成具有总体各向同性的预制件母体或预制件。

在一些示例中，图1的技术的纤维混合物18可以包括通过针刺与碳纤维母体纤维24结合的牺牲纤维22，从而，牺牲纤维22与至少一些碳纤维母体纤维24机械地粘合在一起。在所有示例中，当执行这样的针刺时，额外的牺牲纤维22可以是或可以不是已经与碳纤维母体纤维24混合。通过针刺结合的牺牲纤维22可以应用于例如纺织、无纺或切短丝束以及至少含有碳纤维母体纤维24的织物的层。针刺处理可以包括有或用针接合牺牲纤维22，从而，通过一个或多个针应用足够的力到牺牲纤维22（例如，以自动方式）以使牺牲纤维22与至少一些碳纤维母体纤维24机械粘合在一起。当针刺的牺牲纤维22被至少加热到约170摄氏度与400摄氏度之间的温度并且熔化或烧掉时，留在它们的位置处的多个通道26可以允许液体或气体在平行于工件厚度（例如，看图2中的示例物品的厚度"T"）的方向上更多进出，例如在z方向。

在含有无纺织物的纤维混合物18中，牺牲纤维22在一些示例中可以具有约2.5英寸的平均长度。在其它形式的织物层或纤维混合物18与牺牲纤维22针刺以制造期望厚度的预制件的示例中，牺牲纤维22可以有高达三英寸的长度，取决于层和/或期望的预制件厚度。在其它示例中，包含用于随意混合的切短纤维，含有牺牲纤维22的牺牲材料的一个或多个长纤维能够围绕碳纤维母体纤维24缠绕以形成纤维混合物。这样的长牺牲纤维22可以有任何合适的长度。

现在回到图1，如上所述，示例技术包括加热纤维混合物18到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，以大体上从纤维混合物18中清除（例如清除或几乎清除）牺牲纤维22并且在预制件母体中在多个碳纤维母体纤维24之间在牺牲纤维22（4）的位置处形成多个通道26。通过这种方式，牺牲纤维22可以大体上从纤维混合物18清除，在它们的位置处在预制件母体中在多个碳纤维母体纤维24之间留下多个通道26。在一些示例中，牺牲纤维22可以包括任何纤维材料，其通过在约170摄氏度与约400摄氏度范围中的热处理大体上可清除（例如，可清除或几乎可清除）。在一些示例中，牺牲纤维22可以包括具有约170摄氏度与约400摄氏度之间的软化温度的聚合或热塑性材料。在一些示例中，牺牲纤维22可以包括大麻纤维、草纤维、木材纤维、棉纤维、含有有机材料的纤维等等。在一些示例中，一旦被加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，牺牲纤维22可以灰化或燃烧，从而，可以忽略的灰或没有灰保留在牺牲纤维所在的地方。在其它示例中，如所注意的，加热牺牲纤维22到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度可以促使牺牲纤维22达到组成它们的一种或多种牺牲材料22的软化温度，从而，牺牲材料和/或牺牲纤维22熔化或燃烧离开预制件母体、预制件或工件。

图5示出图3中标出的多孔预制件母体8在通过加热纤维混合物18到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度清除了牺牲纤维22之后的区段A的特写概念图。如图5所示，在大体清除了牺牲纤维22之后，多孔预制件母体8包括附加孔隙度，形式为多个碳纤维母体纤维24之间的多个通道26。

图1的技术还包括碳化多个碳纤维母体24以形成多个碳纤维（6）。在一些示例中，加热牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24的混合物18到约170摄氏度与约400摄氏度（4）之间的温度和碳化多个碳纤维母体纤维24（6）可以在单个连续加热步骤中执行。例如，纤维混合物18可以放置在模具中，并且，当温度朝着较高碳化温度上升时，随着温度穿过在约170摄氏度与约400摄氏度温度范围内的软化温度或燃烧温度，牺牲纤维22可以分别熔化或烧掉。在这样的步骤中，牺牲纤维22可以软化、熔化掉、烧掉和/或气化离开多孔预制件母体8，在碳纤维母体纤维24的整个网（然后被碳化成碳纤维）中在牺牲纤维的位置处留下通道36形式的附加孔隙度。

总的来说，加热纤维混合物18到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度可以促使牺牲纤维22内的牺牲材料和/或牺牲纤维22软化、熔化掉和/或气化离开预制件母体。一旦加热纤维混合物18以大体上清除牺牲纤维22，剩下的通道26可有助于流体例如气体的进出。因此，牺牲纤维22的引入和牺牲纤维22的随后清除可以缩短在预制件母体或预制件内的扩散路径，得到更短的制造周期时间。

如所阐述的，图1的技术进一步地包括碳化多个碳纤维母体纤维24以形成多孔碳纤维预制件28（6）。图6是概念图，示出示例多孔碳纤维预制件28的横向剖视图，其沿示例碳纤维预制件28的直径截取。图7示出例如在图6中标出的示例多孔碳纤维预制件28中的区段A的特写概念图，并且，当牺牲纤维22被大体上清除时，多个碳纤维30和多个通道26留下。

碳化温度（例如，把碳纤维母体纤维转变成碳）可以变化，取决于碳纤维母体纤维的含量。例如, PAN纤维的碳化温度可以在约1500摄氏度与2700摄氏度之间，沥青纤维的碳化温度可以在1600摄氏度与约2700摄氏度之间。在一些示例中，预制件母体中的碳化前，在清除了牺牲纤维22之后留下的多个通道26会大体上具有相同的体积（例如，相同或几乎相同的体积），相比于碳化后。在其它示例中，多个通道26的体积可以增大。

图1的技术可以进一步地包括，在碳化之后，渗透致密剂34到至少多孔碳纤维预制件28（7)的多个通道26中。图8示出图6中标出的示例碳纤维32的区段A的特写概念图，在渗透了致密剂34到多个通道26和多个气孔32之后。致密剂34可以使用多个处理的至少一者渗入多孔碳纤维预制件28，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）。致密剂34可以包括例如中间相沥青（例如煤焦油、石油或合成沥青）或酚材料。

图1的示例技术还可以包括稳定渗入至少多个通道26中（以及例如多个气孔32中）的致密剂34（9）。稳定致密剂34可以包括暴露致密剂34于氧化剂，例如氧气。在一些情况下，在没有具有增大孔隙度的预制件（例如含有本文所述多个通道26的多孔碳纤维预制件28）的情况下，氧化剂进入多孔碳纤维预制件28的内部会需要极多的时间，因为氧化剂会需要扩散通过沥青到达多孔碳纤维预制件28的内部。在预制件母体中形成通道26可以在多孔碳纤维预制件28中提供更大的孔隙度，这可以加速氧化剂进入多孔碳纤维预制件28的内部。

通过这种方式，混合牺牲纤维22与碳纤维母体可以加速并提高预制件处理期间的稳定过程，通过例如更迅速地转化热塑性中间相沥青为热固性沥青。稳定可以在随后的碳化期间降低或大体上防止沥青跑出预制件。本发明的技术还可以得到碳在致密预制件和/或碳-碳复合材料例如碳-碳制动盘中的更高的收获率，相比于没有采用制造过程包括使用牺牲纤维形成通道的预制件的制造过程而言。

在一些示例中，在碳化过程期间，通道26附加地或替代地可以防止或减少多孔碳纤维预制件28的开裂或水汽或其他气体从多孔碳纤维预制件28内起泡。在复合材料的制造的某些阶段例如致密剂的渗透（7）、稳定致密剂（9）或这两者期间，液体、气体或许多挥发物可以在多孔预制件母体8或多孔碳纤维预制件28内部生成。这样的液体或气体会从多孔预制件母体8或多孔碳纤维预制件28内排出的速度可以受到许多因素的影响，包括预制件的孔隙度、处理进行时所处的温度、气体的组分等等。

图9是流程图，示出形成渗透碳纤维预制件的示例技术。图9的技术类似于图1的技术，图9的技术的某些步骤和其它方面可以类似于或相同于参照图1描述的技术。图9的技术包括加热包含牺牲纤维48和碳纤维50的纤维混合物53到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度（见图10）（42）。这样温度下的加热可以大体上清除（例如清除或几乎清除）牺牲纤维48并且在碳纤维50之间在碳纤维预制件46中在牺牲纤维48所在的位置形成多个通道52（见图10）（42）。在一些示例中，纤维混合物53可以被加热到约170摄氏度与200摄氏度之间的温度以大体上清除牺牲纤维48。当被加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度例如到聚合材料的软化温度时，牺牲纤维48可以软化或熔化并且掉出碳纤维预制件或汽化。如参照图1的技术论述的，在图9的技术的一些示例中，牺牲纤维22可以包括聚合材料、大麻纤维、草纤维、木纤维、棉纤维、含有有机材料的纤维等等。在这样的示例中，一旦被加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，牺牲纤维可以软化、熔化、灰化或燃烧，从而，可以忽略的或没有牺牲纤维22保留在纤维混合物53内。

图10是概念图，示出示例碳纤维预制件46的横向剖视图，其包括如所描述的纤维混合物53。碳纤维预制件46可以包括例如物品，其包括纤维混合物53，例如多个牺牲纤维48和多个碳纤维50。碳纤维预制件46可以具有厚度T，从预制件（或者在一些示例中，预制件母体）的顶面到底面测量。图10的示例碳纤维预制件46具有相同于图2的示例多孔预制件母体的圆盘形几何结构。然而，碳纤维预制件46可以拥有多种几何结构，图10描述的示例不意图受此限制。纤维混合物53可以以与参照图1的技术论述的纤维混合物18类似或相同的方式制备。在一些示例中，碳纤维预制件46可以包括大致均质的（均质的或几乎均质的）的纤维混合物53。例如，在预制件的一部分或全部中，牺牲纤维48与碳纤维50的比例可以是相对恒定的。在一些示例中，在预制件46的一部分或全部中，牺牲纤维48和碳纤维50可以以大致均质的模式编织，诸如为织物或片材的形式。本文的技术可以包括，例如，在加热纤维混合物53之前，形成包含牺牲纤维48和碳纤维50的纺织丝束或无纺丝束。

在一些示例中，在加热纤维混合物53（42）之前，本发明的示例技术可以包括用树脂涂覆碳纤维50。合适的树脂可以包括例如酚醛树脂或环氧树脂。纤维的涂覆可以通过例如把碳纤维50浸在树脂中例如在具有粘度足够低以有效涂覆碳纤维的树脂浴池中来实现。在其它示例中，树脂可以喷射在碳纤维50上。如所述涂覆在碳纤维上的树脂在一些示例中可以构成树脂涂覆纤维的总重量的约40%与约50%之间。

这样的技术还可以包括，在加热纤维混合物53之前，干燥涂覆的碳纤维。这样的干燥可以例如通过在烤箱中在合适的温度例如较低温度下加热涂覆的碳纤维来实现。树脂涂敷的碳纤维，包含干燥的树脂涂覆的碳纤维，还可以在与牺牲纤维混合以形成纤维混合物之前或与此同时被切碎。切碎可以通过例如利用短切枪系统或其它合适的方法来实现。

在包括含有树脂涂覆的碳纤维（包括但不限于切短和/或干燥的树脂涂覆的纤维）的纤维混合物的示例技术中，树脂涂覆的碳纤维可以与牺牲纤维混合以形成用于图9的技术中的纤维混合物。参照图1的技术描述的用于形成纤维混合物的任何技术也可以用于形成用于包括含有树脂涂敷的碳纤维的纤维混合物的技术的纤维混合物，或总的纤维混合物53。

在包括干燥的树脂涂覆的纤维例如切短的干燥的树脂涂覆的纤维的一些示例中，树脂可以在加热纤维混合物到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度（42）之前或在与其相同的步骤中熔化，如本文描述的。在其它示例中，树脂可以涂覆在碳纤维上，在纤维混合物被制备和至少加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度时，树脂可以维持其粘度（没有实质干燥）。不论树脂是保持其粘度还是被干燥然后熔化，含有树脂涂敷的纤维和牺牲纤维的纤维混合物被压缩，例如，使得被压缩的纤维混合物呈现了最终部件或复合材料的形式。

在包括压缩纤维混合物的一些示例中，压缩的步骤可以出现在加热纤维混合物至少到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度以大体上清除牺牲纤维（42）之前或与其同时。如果压缩步骤是在加热到这个范围中的温度之后执行，被压缩的材料可能包括树脂涂敷的碳纤维，但是可以不必包括已经熔化或烧掉的牺牲纤维22中的牺牲材料和/或牺牲纤维22。一些示例技术还可以包括，在渗透致密剂到多个通道52（44）之前，碳化至少树脂，以形成部分致密的多孔碳纤维预制件。在一些示例中，熔化树脂、至少加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度和/或碳化至少树脂的参考步骤可以出现在一个连续加热步骤中。同样地，碳化至少涂敷在碳纤维上的树脂这个可选步骤可以出现在正在压缩纤维混合物的同时或者是在清除了牺牲材料和/或牺牲纤维22之后剩余的树脂涂敷的纤维正在被压缩的同时。

本发明的一些示例技术可以包括，在加热含有牺牲纤维和碳纤维的纤维混合物到约170摄氏度与约400摄氏度（42）之间的温度之前，将一个或多个基体母体材料浸渍到纤维混合物53和/或碳纤维预制件46中。基体母体材料可以包括，在一些示例中，未固化的树脂和固化剂或催化剂。例如，未固化的酚醛树脂可以连同己二胺浸渍到纤维混合物53或碳纤维预制件46中。总的来说，本发明的基体母体材料可以包括一个或多个材料，它们可以随后被固化以形成围绕纤维混合物53的基体。特定量的一个或多个基体母体材料可以通过许多适当的方法预浸渍到纤维混合物53或碳纤维预制件中（通常称作"预浸渍体"）。例如，基体母体材料可以使用压力、真空、树脂传递模塑、手动应用或它们的任意组合进行浸渍。

在一些示例中，在浸渍之后且在加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度（44）之前，浸渍在片材中的一个或多个基体母体材料可以部分固化（有时称作"B级"预浸渍体）。在这样的示例中，在其中已经部分固化了基体材料母体的纤维混合物53或碳纤维预制件46可以更易于处理并且例如可以储存供以后处理。在一些示例中，B级预浸渍体可以存储在凉爽环境中以防止或限制基体母体材料的未固化部分的固化。在一个示例技术中，当一个或多个基体材料母体已经部分固化时，一旦加热纤维混合物53至少到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，多个通道就可以形成在部分固化的一个或多个基体母体材料内，在多个碳纤维之间，在牺牲纤维48所在的位置处。

包括一个或多个基体材料的浸渍的示例技术还可以包括，在加热纤维混合物53到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度之前固化一个或多个基体母体材料。固化可以包括引起化学反应发生在未固化树脂与固化剂或催化剂之间以形成固化基体。在附加处理之前，固化基体可以为纤维混合物53提供改善的结构和稳定性。

在一些示例中，当在加热纤维混合物53至少到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度之前基体母体已经部分固化时，固化一个或多个基体母体材料包括完全固化浸渍在纤维混合物53或碳纤维预制件46中的一个或多个基体母体材料的未固化剩余部分。附加地或替代地，根据示例技术，加热纤维混合物53至少到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度和固化一个或多个基体母体材料的步骤可以包括连续地加热浸渍的纤维混合物或预制件，从低于牺牲材料的在约170摄氏度与约400摄氏度范围内的软化或燃烧点的温度到一个或多个基体母体材料固化以形成粘合纤维混合物的基体的温度。总的来说，如本发明所描述的，浸渍在片材中的基体材料母体的固化可以通过许多合适的方法来实现，例如，加热到约100摄氏度至约300摄氏度的温度。

图9的示例技术还包括渗透致密剂到至少碳纤维预制件46的多个通道52中（44）。这个步骤可类似于或相同于上面所描述的致密剂渗透的可选步骤。例如，合适的致密剂54可以包括中间相沥青（例如煤焦油、原油或合成沥青）或酚材料（见图11）。致密剂54的渗透可以由许多技术来执行，其选择可取决于致密剂的粘度或其它性质。例如，致密剂54可以渗入碳纤维预制件46，使用化学气相沉积/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）中的至少一者。

图11是概念图，示出示例渗透碳预制件47的横向剖视图。渗透碳预制件47示出图10的碳预制件46，在碳纤维50之间的多个通道52已经渗透有致密剂54之后。本发明的一个示例技术还可以包括碳化致密剂54以形成碳-碳复合物品或部件，在本文所描述的情况下。

在形成部分致密的多孔碳预制件之后，致密剂54可以渗透到部分致密的多孔碳预制件中。在渗透之后，致密剂54可以稳定和/或碳化，如本发明其它地方描述的。如本文描述的，致密剂54（例如沥青）的稳定可以通过多个通道52的存在来改善，利用它们允许更多氧气（或其它氧化剂）穿过渗透预制件47的内部部分。通过这种方式，包含更好稳定的致密剂的预制件可以更有效地碳化，在最终的碳-碳复合部件中有更高的碳含量。

按照本发明的技术已经形成的碳纤维预制件可以包括所描述的多个通道形式的附加孔隙度，相比于形成为没有包含在约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度下可大体清除的牺牲纤维的预制件。包含这样的通道的预制件可以防止或限制裂缝或空隙形成在预制件中或在由此制造的最终的复合部件中。这样性质的裂缝或空隙会降低预制件或复合部件的期望机械性能。例如，水可以是某些基体材料固化过程（例如，环氧树脂的固化）期间的冷凝反应的副产物。如果没有提供足够的通道来排出水或水蒸气，那么，水或水蒸气会保留在片材、预制件或部分致密的预制件内，并且在后续处理期间引起裂缝，例如在碳化致密剂时。因此，在形成碳纤维预制件中采用可以在约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度下清除的纤维牺牲材料，例如包含具有在这个范围内的软化温度的聚合材料的纤维，可以减少制造周期时间，因为，牺牲纤维的软化、熔化和/或燃烧之后形成的通道可以允许在期望温度下更快的斜坡（例如加热）速度和更短的停留时间。例如，使用本发明描述的技术，停留时间可以短约20%至约40%。使用所描述的技术，还可以增大预制件和碳-碳复合部件中的最终碳含量产率。

已经描述了本发明的各个实施例。这些及其它实施例在下列权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种碳纤维预制件，包括：

堆叠在一起的多个纤维层，其中所述多个纤维层中的至少一个纤维层包括多个碳纤维或碳纤维母体纤维；和

多个牺牲纤维，其将所述多个纤维层机械地连接在一起。

2.如权利要求1所述的碳纤维预制件，其中，所述多个牺牲纤维构造成在加热所述碳纤维预制件在约170摄氏度与约400摄氏度之间时从所述碳纤维中被大体上去除。

3.一种形成碳纤维预制件的方法，该方法包括：

将多个纤维层堆叠在一起，其中至少一个纤维层包括多个碳纤维或碳纤维母体纤维；

机械地连接所述纤维层以形成将多个纤维层连接在一起的多个牺牲纤维；和

大体上从所述多个纤维层中去除所述牺牲纤维并且在碳纤维预制件中在牺牲纤维所在的位置处形成多个通道。