CN107709271B - 成形材料和制造方法 - Google Patents

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Abstract

成形材料(1)，具体地用于盘式制动器的盘，该成形材料包括在构造方向(X)上堆叠的多个碳纤维层(2、4、6)，每个碳纤维层(2、4、6)包括并排地放置并接合在一起以形成所述碳纤维层的多个区段(8、10)，碳纤维层(2、4、6)的区段包括径向区段(8)和横向区段(10)。在每个碳纤维层(2、4、6)中，横向区段(10)的数量大于径向区段(8)的数量。上述发明进一步解决成形材料的制造方法。

Description

成形材料和制造方法
技术领域
本发明涉及一种成形材料，优选地涉及一种用于盘式制动器的盘，以及用于实现这种材料的方法。
背景技术
长期已知的是使用由碳基材料(所谓的碳碳，或者“C/C”)制成的盘式制动器的盘。
这些盘通过叠加多层织物和/或无纺织物、可以添加树脂的过程、经通过液体或气体使用碳来增密(densification，致密化、压实)的过程以及适当的随后热处理来获得。
例如，增密处理可以通过CVD(化学气相淀积)、CVI(化学气相渗透)或LPI(液态聚合物渗透)执行。
在一些应用中，这些材料可用于在高温下作为摩擦元件来工作，这种环境使这些材料不适于标准化应用，而是适于高档(high-range)应用。
传统地，对于C/C盘式制动器的生产，由于形成在相关层状结构内的特殊结构，存在对结构等级(level)重要的盘区域，因为这些区域相对于施加的载荷具有低的耐用性。
这可导致对应于这些区域的破裂或断裂，从性能的角度来看，对于极限制动应用的高档的使用来说，这是不可接受的，如运动型轿车或是高速行进的其他交通工具的情况。
发明内容
本发明基于以上背景，提出了一种成形材料和方法，能够彻底地降低制动盘破裂的可能性，并且尽管成形材料的结构内在不对称仍提供了各向同性(isotropy)的机械性能。
根据本发明的一个实施方式，提供了一种成形材料，例如用于盘式制动器的盘，所述盘优选地是通风盘，所述成形材料包括在构造方向上堆叠的多个碳纤维层，每个所述碳纤维层包括多个区段，所述多个区段并排地放置并接合在一起以便形成所述碳纤维层，所述碳纤维层的所述区段包括径向区段和横向区段；其中，所述径向区段是这样的区段，在该区段中，碳纤维主要在相对于所述构造方向的径向方向上定向，或者所述碳纤维大致平行于所述径向方向定向，而所述横向区段是这样的区段，在该区段中，所述碳纤维主要在入射到所述径向方向的入射方向上指向；其中，在每个所述碳纤维层中，所述横向区段的数量大于所述径向区段的数量。
根据本发明的另一实施方式，提供了一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的成形材料的方法，所述方法包括以下步骤：步骤i)在构造方向上堆叠多个碳纤维层或堆叠碳纤维的前体，每个所述碳纤维层包括并排地放置并接合在一起以形成所述碳纤维层的多个径向区段和多个横向区段，每个所述碳纤维层的所述横向区段的数量大于所述径向区段的数量；步骤ii)使所述步骤i)的产品经受热处理或经受热化学处理，以便使所述产品增密，从而获得所述成形材料；步骤iii)可选地，利用诸如硅或碳化硅的渗透剂来渗透所述步骤ii)的所述产品。
附图说明
现在将参照附图详细描述本发明的目的，在附图中：
-图1是根据可能的实施方式的本发明的成形材料的制造步骤的立体图；
-图2是根据可能的变型的成形材料的成分和层数的侧视示意图；
-图3和图4分别示出了在本发明的成形材料中可采用的径向区段和横向区段。
具体实施方式
参考上述附图，参考标号1总体上表示成形材料。优选地，根据本发明的成形材料旨在用于盘式制动器的盘，有利地，通风式的盘。
优选地，成形材料1的特性是该成形材料具有小于5％的孔隙率(residualporosity，孔隙度)，例如等于或小于3％。
优选地，该孔隙率的值考虑了包括碳化硅SiC的区域的成形材料1，特别是在至少一个步骤的结尾处的硅Si的渗透，如以下更好描述的。
成形材料1包括多个碳纤维层2、4、6，这些层沿着构造方向X(例如图1所示的竖直方向)堆叠。
仅通过举例的方式，至少部分碳纤维(优选地所有这些纤维)可以来源于氧化的聚丙烯腈纤维。例如，这种纤维是由SGL碳SE公司(SGL Carbon SE)在商品名称
Figure GDA0002472611170000031
下生产的。
根据优选的变型，成形材料1包括碳质基质(即，由至少50％的碳组成)，该该碳质基质中，一部分碳纤维至少部分地成球状。
在本描述中，除非另有说明，否则术语“径向的”、“轴向的”、“有角度的”和“周向的”将始终相对于构造方向X进行理解。
根据变型，在它的使用期间，构造方向X平行于成形材料1的旋转轴线定向或者平行于盘式制动器的盘的旋转轴线定向。
根据优选的变型，碳纤维层2、4、6的数量(或区段8、10的圈数；在这方面参见下文)包括在10-50的范围内，有利地包括在18-40的范围内，例如包括在28-40的范围内或者包括在18-26的范围，可选地包括在在20-24的范围内。例如，层数/圈数可以约为21-23。
仅通过举例的方式，沿着构造方向X，成形材料可具有等于约40毫米或更大的厚度S，具体地，在约40-300毫米之间。
每个碳纤维层2、4、6包括多个区段8、10，多个区段并排并且接合在一起以形成前述的碳纤维层，碳纤维层2、4、6的区段包括径向区段8和横向区段10。
径向区段8是这样的区段，在该区段中，碳纤维相对于构造方向X主要在径向方向R上定向，或者接近平行于径向方向R定向。相反，横向区段10是这样的区段，在该区段中，碳纤维主要在入射到前述的径向方向R的入射方向(incident direction，相交方向)I上定向。在这方面，参考图3和图4，分别示出了相应的区段8、10的径向方向和横向方向的定向。
根据优选的变型，入射方向I基本上垂直于径向方向R。
优选地，例如在图1中示出的，至少一部分区段8、10是扇形段的形式或圆弧段的形式。有利地，这些扇形段或圆弧段的圆周宽度可以在60-90°的范围内，有利地在60-80°的范围内，可选地在65-72°的范围内，例如约68°。
例如，全部的区段可以具有基本上相同的形式。
根据另一优选的变型，每个区段8、10根据区段类型主要地包括在径向方向R上或在入射方向I上布置的单向碳纤维或者排他性地包括在径向方向R上或在入射方向I上布置的单向碳纤维。
根据实施方式，区段8、10围绕构造方向X以基本上连续的方式螺旋地延伸通过多个碳纤维层2、4、6。
根据有利的实施方式，相对于构造方向X，碳纤维层2的区段相对于相邻的碳纤维层4的区段(特别地：在轴向方向上)成角度地偏移，使得区段之间的连接区域12在成形材料1的厚度S上没有重叠或没有重合。
根据实施方式(未示出)，碳纤维层2的至少一个区段可以与该区段的旁边的至少一个其他区段在周向方向上部分地重叠。
此外，在每个碳纤维层2、4、6中，横向区段10的数量大于径向区段8的数量。
由此可见，创新地，通过先前讨论的不对称的或各向异性的结构，本发明允许明显减少成形材料中的裂纹或断裂的出现。因此，该材料适于这样的应用-除了其他特性以外-还期望高的弯曲强度。
根据有利的变型，横向区段10的数量相对于径向区段8的数量更大-具体地，大至少一个单元(unit)、大至少两个单元或大至少三个单元或大更多个单元。
换言之，在根据该变型的成形材料1中，横向区段10相对于径向区段8存在更明显的优势。
根据具体优选的实施方式，在一个或多个碳纤维层2、4、6的内部，五个径向区段8可以与至少六个或至少七个横向区段10交替。
根据另一实施方式，五个横向区段10可以与至少一个、至少两个或者至少三个径向区段8交替。
可选地，成形材料1可以包括碳化硅SiC的区域，该碳化硅SiC的区域通过所述碳纤维和/或所述成形材料1的碳质基质的碳C的一部分与渗透在所述成形材料1中的硅Si的至少部分反应而获得。
根据优选实施方式，碳化硅区域可以布置为在相邻的碳纤维层2、4、6之间的桥接件。
上述目标进一步通过用于制造根据前述实施方式中的任一个的成形材料1的方法来解决。
因此，即使没有明确阐述，从结构观点来看，这种流程的优选的或者附属变型可以包括仅内隐地从前述描述中可消减的任何特性。
该方法包括以下步骤：
步骤i)在构造方向X上，堆叠(并且可选地穿插)多个碳纤维层2、4、6或者所述碳纤维的前体(precursor)，每个碳纤维层包括多个径向区段8和多个横向区段10，多个径向区段和多个横向区段并排地放置并接合在一起以形成所述碳纤维层，每个碳纤维层2、4、6的横向区段10的数量大于径向区段8的数量；
步骤ii)使步骤i)的产品经受热处理或者经受热化学处理，以便使所述产品增密，从而获得所述成形材料1；
步骤iii)可选地，利用诸如硅或碳化硅等渗透剂渗透步骤ii)的产品。
根据优选的变型，堆叠步骤包括一下步骤：围绕构造方向X以基本上连续的方式螺旋地通过多个碳纤维层2、4、6来布置区段8、10。
根据另一优选的变型，渗透剂包括硅Si。根据该变形，在步骤iii)期间，碳纤维和/或该成形材料1的碳质基质的碳C的一部分通过与渗透的硅Si的一部分的反应而形成碳化硅SiC。
根据具体的优选实施方式，在步骤i)中的穿插步骤可以包括例如借助于成形针通过成形材料1的不同的碳纤维层2、4、6的厚度调换碳纤维或这些碳纤维的前体的一个或多个阶段。
应该阐明，在步骤i)中，碳纤维层2、4、6可以包括碳纤维(即，已经碳化的纤维)或者这些碳纤维的前体(例如，氧化的聚丙烯腈纤维)，碳纤维的前体在步骤i)下游的可选的碳化步骤期间转变成碳纤维。
创新地，本发明的成形材料和方法允许有效地解决现有技术的缺点。
更确切地说，先前讨论的不对称结构允许减少-或者甚至消除-已知成形材料的耐用性低的缺点，同时在使用期间这些碳纤维的各向同性(isotropy)的性能保持在良好的水平。
有利地，本发明的方法和成形材料尤其是由于构造上的简单性而可以在任何现有生产线中很简单地实现。
有利地，本发明的方法和成形材料允许借助于这样的事实来实现相当经济的制造，该事实为：具体的工艺并不需要通常提供的额外的或辅助的设备。
对于前述方法和成形材料的实施方式，为了满足具体的需要，本领域技术人员可利用功能上等效的其他元件对这些元件进行变型或替换。
如由所附权利要求限定的，甚至这些变型也包含在保护范围内。
此外，描述为属于可能的实施方式的变型中的每个变型可以独立于描述的其他变型来实现。

Claims (27)

1.一种成形材料(1)，用于盘式制动器的盘，所述盘是通风盘，所述成形材料包括在构造方向(X)上堆叠的多个碳纤维层(2、4、6)，每个所述碳纤维层(2、4、6)包括多个区段，所述多个区段并排地放置并接合在一起以便形成所述碳纤维层，所述碳纤维层(2、4、6)的所述区段包括径向区段(8)和横向区段(10)；
其中，所述径向区段(8)是这样的区段，在该区段中，碳纤维主要在相对于所述构造方向(X)的径向方向(R)上定向，或者所述碳纤维大致平行于所述径向方向(R)定向，而所述横向区段(10)是这样的区段，在该区段中，所述碳纤维主要在入射到所述径向方向的入射方向(I)上指向；
其中，在每个所述碳纤维层(2、4、6)中，所述横向区段(10)的数量大于所述径向区段(8)的数量。
2.根据权利要求1所述的成形材料，其中，所述横向区段(10)的数量比所述径向区段(8)的数量多至少一个单元。
3.根据权利要求1所述的成形材料，其中，在一个或多个所述碳纤维层(2、4、6)内部，五个所述径向区段(8)与至少六个所述横向区段(10)交替布置。
4.根据权利要求1所述的成形材料，其中，相对于所述构造方向(X)，一个所述碳纤维层(2)的区段相对于相邻的所述碳纤维层(4)的区段成角度地交错布置，以使得所述区段之间的连接区域(12)在所述成形材料(1)的厚度(S)上没有重叠。
5.根据权利要求1所述的成形材料，其中，所述径向区段(8)和所述横向区段(10)围绕所述构造方向(X)以基本上连续的方式螺旋地延伸通过所述多个碳纤维层(2、4、6)。
6.根据权利要求1或5所述的成形材料，其中，所述碳纤维层(2、4、6)的数量或者所述径向区段(8)和所述横向区段(10)的圈数在18-40的范围内。
7.根据权利要求1所述的成形材料，其中，所述入射方向(I)基本上垂直于所述径向方向(R)。
8.根据权利要求1所述的成形材料，其中，所述径向区段(8)和所述横向区段(10)中的至少一部分是扇形段或圆弧段的形式，所述扇形段或所述圆弧段的圆周宽度在60-90°的范围内。
9.根据权利要求1所述的成形材料，其中，所述径向区段(8)和所述横向区段(10)中的每个主要地包括在所述径向方向上或在所述入射方向上布置的单向碳纤维或者排他性地包括在所述径向方向上或在所述入射方向上布置的单向碳纤维。
10.根据权利要求1所述的成形材料，其中，所述碳纤维的至少一部分来源于氧化的聚丙烯腈纤维。
11.根据权利要求1所述的成形材料，其中，在使用期间，所述构造方向(X)定向为平行于所述成形材料(1)的旋转轴线。
12.根据权利要求1所述的成形材料，所述成形材料包括碳化硅的区域，所述碳化硅的区域通过所述碳纤维的一部分和/或所述成形材料(1)的碳质基质的碳的一部分与渗透在所述成形材料(1)中的硅的至少一部分反应而获得，所述碳化硅的区域被设置为桥接相邻的所述碳纤维层(2、4、6)。
13.根据权利要求1所述的成形材料，其特征在于，所述成形材料具有小于5％的孔隙率。
14.根据权利要求6所述的成形材料，其中，所述碳纤维层(2、4、6)的数量或者所述径向区段(8)和所述横向区段(10)的圈数在28-40的范围内。
15.根据权利要求6所述的成形材料，其中，所述碳纤维层(2、4、6)的数量或者所述径向区段(8)和所述横向区段(10)的圈数在18-26的范围内。
16.根据权利要求6所述的成形材料，其中，所述碳纤维层(2、4、6)的数量或者所述径向区段(8)和所述横向区段(10)的圈数在20-24的范围内。
17.根据权利要求8所述的成形材料，其中，所述扇形段或所述圆弧段的圆周宽度为68°。
18.根据权利要求10所述的成形材料，其中，所述碳纤维的全部来源于氧化的聚丙烯腈纤维。
19.根据权利要求10所述的成形材料，其中，所述氧化的聚丙烯腈纤维为
Figure FDA0002489097930000031
纤维。
20.根据权利要求13所述的成形材料，其特征在于，所述成形材料具有小于或等于3％的孔隙率。
21.根据权利要求1所述的成形材料，其中，所述横向区段(10)的数量比所述径向区段(8)的数量多至少两个单元。
22.根据权利要求1所述的成形材料，其中，所述横向区段(10)的数量比所述径向区段(8)的数量多三个单元或更多个单元。
23.根据权利要求1所述的成形材料，其中，在一个或多个所述碳纤维层(2、4、6)内部，五个所述径向区段(8)与至少七个所述横向区段(10)交替布置。
24.用于制造根据前述权利要求中任一项所述的成形材料(1)的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤i)在构造方向(X)上堆叠多个碳纤维层(2、4、6)或堆叠碳纤维的前体，每个所述碳纤维层包括并排地放置并接合在一起以形成所述碳纤维层的多个径向区段(8)和多个横向区段(10)，每个所述碳纤维层(2、4、6)的所述横向区段(10)的数量大于所述径向区段(8)的数量；
步骤ii)使所述步骤i)的产品经受热处理，以便使所述产品增密，从而获得所述成形材料(1)；
步骤iii)利用渗透剂来渗透所述步骤ii)的所述产品。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述堆叠的步骤包括以下步骤：围绕所述构造方向(X)以基本上连续的方式螺旋地通过所述多个碳纤维层(2、4、6)来布置所述径向区段(8)和所述横向区段(10)。
26.根据权利要求24或25所述的方法，其中，所述渗透剂包括硅，并且其中，在所述步骤iii)期间，所述碳纤维和/或所述成形材料(1)的碳质基质的碳的一部分通过与渗透的硅的一部分反应而形成碳化硅。
27.根据权利要求24所述的方法，其中，所述渗透剂是硅或碳化硅。
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