CN110862266B - 分段层碳纤维预成型件 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及分段层碳纤维预成型件。本发明公开了一种用于碳‑碳复合材料的预成型件，该预成型件包括被堆叠并针刺在一起的多个纤维层，用于形成具有内径向截面和外径向截面的呈环带形状的预成型件。每个纤维层包括相应的多个织物片段，该相应的多个织物片段包含碳纤维或碳‑前体纤维中的至少一者。至少一个纤维层包括形成内径向截面的至少一部分的第一织物片段，第一织物片段限定第一片段平分线和第一纤维取向角度，和形成外径向截面的至少一部分的第二织物片段，第二织物片段限定第二片段平分线和第二纤维取向角度，其中第一片段平分线和第二片段平分线径向对准，并且第一纤维取向角度不同于第二纤维取向角度。

Description

分段层碳纤维预成型件
技术领域
本公开涉及碳-碳复合材料的制造，诸如由碳-碳复合材料制成的飞机制动盘的制造。
背景技术
碳-碳复合材料是包含基质的复合材料，该基质包含用碳纤维增强的碳。碳-碳(C-C)复合组分可用于许多高温应用中。例如，航空航天工业采用C-C复合组分作为商业和军用飞机的摩擦材料，诸如制动摩擦材料。
一些碳-碳复合材料，诸如用于航空航天工业的一些碳-碳复合制动盘，可由包括碳纤维层的多孔预成型件制造，该多孔预成型件可使用多种方法中的一种或多种来致密化，该方法包括化学气相沉积/化学气相渗透(CVD/CVI)、真空/压力渗透(VPI)或树脂传递模塑(RTM)，以用碳渗透多孔预成型件。在致密过程之前，一些预成型件可经受针刺工艺。
发明内容
在一些示例中，本公开描述了一种用于碳-碳复合材料的预成型件，该预成型件包括堆叠并针刺在一起以形成呈环带形状的预成型件的多个纤维层。环带包括限定内预成型件直径的内径向截面和限定外预成型件直径的外径向截面。该多个纤维层中的每个纤维层包括相应的多个织物片段，该相应的多个织物片段包括碳纤维或碳-前体纤维中的至少一者，其中该多个纤维层中的至少一个纤维层包括形成该内径向截面的至少一部分的第一织物片段，该第一织物片段限定第一片段平分线和第一纤维取向角度；和形成外径向截面的至少一部分的第二织物片段，该第二织物片段限定第二片段平分线和第二纤维取向角度。该第一片段平分线和第二片段平分线在至少一个纤维层内径向对准，并且该第一纤维取向角度不同于第二纤维取向角度。
在一些示例中，本公开描述了一种方法，该方法包括形成用于碳-碳复合材料的预成型件，其中形成预成型件包括堆叠和针刺多个织物片段以产生被针刺在一起以形成呈环带形状的预成型件的多个纤维层。环带包括限定内预成型件直径的内径向截面和限定外预成型件直径的外径向截面。该多个纤维层中的每个纤维层包括相应的多个织物片段，该相应的多个织物片段包括碳纤维或碳-前体纤维中的至少一者，其中该多个纤维层中的至少一个纤维层包括形成该内径向截面的至少一部分的第一织物片段，该第一织物片段限定第一片段平分线和第一纤维取向角度；和形成外径向截面的至少一部分的第二织物片段，该第二织物片段限定第二片段平分线和第二纤维取向角度，其中该第一片段平分线和第二片段平分线在至少一个纤维层内径向对准，并且其中第一纤维取向角度不同于第二纤维取向角度。
本公开的一个或多个示例的细节在以下附图和说明书中阐述。本公开的其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及从权利要求书中显而易见。
附图说明
图1为示出了车轮和制动器组件示例的概念图，该示例可包括根据本公开的技术和结构特征而形成的一个或多个盘式制动器。
图2为限定内径(ID)和外径(OD)两者的示例定子制动盘的示意透视图。
图3为可用来制造本文所述致密的C-C复合材料的示例纤维预成型件的示意透视图。
图4为可用来形成本文所述的不同类型的织物片段的示意图，包括图3的纤维预成型件的织物片段的示例织物。
图5为示例织物片段的示意性鸟瞰图。
图6A和图6B为可用来形成图3的纤维层的一部分的两组不同织物片段的示意性分解图。
图7A和图7B为可用来形成图3的纤维层的一部分的两组附加织物片段的示意性分解图。
图8A和图8B为可用来制造致密碳-碳复合盘式制动器的示例纤维预成型件的一组示意性鸟瞰图(图8A)和侧视图(图8B)。
图9A和图9B为纤维预成型件的一组示意性鸟瞰图(图9A)和横截面图(图9B)，其包括图8A的纤维预成型件加上添加到该纤维预成型件的上表面上的附加的纤维层的一半。
图10为示出制造纤维预成型件的示例技术的流程图。
具体实施方式
在一些示例中，本公开描述了用于制备用来生产致密碳-碳(C-C)复合材料的碳纤维预成型件的技术，该致密碳-碳复合材料可用来例如形成盘式制动器。所述纤维预成型件可包括多个层，该多个层包含碳纤维或碳-前体纤维中的至少一者，其中该纤维层被叠置(例如，纤维层彼此堆叠)并且针刺到一起。叠置堆叠中的每个纤维层可包括共同形成相应纤维层的多个织物片段。
最终纤维预成型件可呈限定内径和外径两者的环带(例如，盘形)形状。叠置堆叠中的每个纤维层可被分成两个径向截面，即内径向截面和外径向截面。形成相应纤维层的织物片段可包括有助于内径向截面的一部分的至少一个织物片段，和有助于外径向截面的至少一个其他织物片段，这两者均可限定不同的纤维取向角度。在一些示例中，有助于内径向截面的织物片段可不形成外径向截面的一部分，反之亦然。
如下文进一步所述，接纳的织物片段内的纤维取向角度可根据在最终纤维预成型件中耳状物区域的位置(例如，被构造成接纳与车轮和制动器组件的齿条键或横梁键联锁的耳状物凹口)并且根据相邻层内其他织物片段的纤维取向角度来设定，以便在最终的C-C复合材料内定制强度特性。在一些示例中，可选择相应织物片段内的纤维取向以改善摩擦特性、剪切强度、扭矩强度以及它们的组合。
图1为示出了车轮和制动器组件10示例的概念图，该示例可包括根据本公开的技术和结构特征而形成的一个或多个盘式制动器。为了便于描述，将主要针对由C-C复合组分形成的飞机制动器组件来描述本公开的示例。然而，本公开的技术可被用来形成除飞机制动盘之外的C-C复合组分。例如，C-C复合组分可用作其他类型的制动应用和车辆中的摩擦材料。
在图1的示例中，车轮和制动器组件10包括车轮12、致动器组件14、刹车动盘16和轴18。车轮12包括轮毂20、车轮悬臂梁法兰22、胎圈座24A和24B、长平头螺栓26和带耳螺母28。致动器组件14包括致动器外壳30、致动器外壳螺栓32和油缸34。刹车动盘16包括交替的转子制动盘36和定子制动盘38；转子制动盘36被配置成相对于定子制动盘38运动。转子制动盘36通过横梁键40安装到车轮12上，并且具体地讲安装到轮毂20上。定子制动盘38通过齿条键44安装到轴18上，具体地讲安装到扭矩管42上。车轮和制动器组件10可支撑任何种类的私人、商业或军用飞机或其他类型的车辆。
车轮和制动器组件10包括车轮12，这在图1的示例中被轮毂20和车轮悬臂梁法兰22限定。车轮悬臂梁法兰22可通过长平头螺栓26和带耳螺母28机械地固定到轮毂20上。车轮12限定胎圈密封件24A和24B。在组装期间，可将可充胀轮胎(未示出)放置在轮毂20上方并通过车轮悬臂梁法兰22固定在相对侧上。然后，带耳螺母28可被拧紧在长平头螺栓26上，并且可充胀轮胎可用胎圈密封件24A和24B充气，从而为可充胀轮胎提供气密密封。
车轮和制动器组件10可通过扭矩管42和轴18安装到车辆上。在图1的示例中，扭矩管42通过多个螺栓46附连到轴18上。扭矩管42支撑致动器组件14和定子制动盘38。轴18可安装在着陆齿轮(未示出)的支柱或车辆的其他适宜的部件上，以将车轮和制动器组件10连接到车辆上。
在车辆的操作过程中，可能需要不时地进行制动，诸如在飞机的着陆和滑行程序期间。车轮和制动器组件10被配置成经由致动器组件14和刹车动盘16向车辆提供制动功能。致动器组件14包括致动器外壳30和油缸34。致动器组件14可包括不同类型的致动器，诸如例如电-机械致动器、液压式致动器、气动式致动器等中的一者或多者。在操作期间，油缸34可由致动器外壳30延伸远离，以抵靠压缩点48轴向压缩刹车动盘16以用于制动。
刹车动盘16包括交替的转子制动盘36和定子制动盘38。转子制动盘36通过横梁键40被安装到轮毂20上以用于共同旋转。定子制动盘38通过齿条键44被安装到扭矩管42上。在图1的示例中，刹车动盘16包括四个转子和五个定子。然而，在其他示例中，刹车动盘16中可包括不同数量的转子和/或定子。
转子制动盘36和定子制动盘38可提供用于制动飞机的相对摩擦表面。当移动飞机的动能被转移为刹车动盘16中的热能时，在刹车动盘16中的温度可快速增加。因此，形成刹车动盘16的转子制动盘36和定子制动盘38可包含能够在非常高的温度下操作的强健的、热稳定的材料。
在一个示例中，转子制动盘36和/或定子制动盘38形成为环带形式的C-C复合材料，其限定一组相对的磨损表面。可使用任何适宜的制造技术或技术的组合包括例如，真空压力渗透(VPI)、树脂转移模塑(RTM)、化学气相渗透(CVI)、化学气相沉积(CVD)、增材制造、机械加工、消融技术等，使用本文所述的纤维预成型件作为起始的基材来制造C-C复合材料。
如简要指出的，在一些示例中，转子制动盘36和定子制动盘38可分别通过横梁键40和齿条键44安装在车轮和制动器组件10中。在一些示例中，横梁键40可围绕轮毂20的内部部分周向间隔。横梁键40可例如成型为具有相对的端部(例如，矩形的相对两侧)并且可具有机械地附连到轮毂20的内部部分的一个端部和机械地附连到轮毂20的外部部分的相对的端部。横梁键40可与轮毂20一体成形，或者可与轮毂20分离并机械地附连到轮毂20上，例如以在转子制动盘36和轮毂20之间提供热阻隔层。为此，在不同的示例中，车轮和制动器组件10可包括热屏蔽(未示出)，该热屏蔽围绕刹车动盘16径向地并向外地延伸，例如以限制刹车动盘16与车轮12之间的热转移。
在一些示例中，齿条44可围绕扭矩管42的外部部分周向间隔。因此，定子制动盘38可包括沿着被构造成与齿条44接合的制动盘的内径的多个径向向内设置的耳状物凹口。相似地，转子制动盘36可包括沿着被构造成与横梁键40接合的制动盘的外径的多个径向向内设置的耳状物凹口。因此，转子制动盘36将随着车轮的运动而旋转，同时定子制动盘38保持静止，从而允许邻近的定子制动盘38和转子制动盘36的摩擦表面彼此接合以使车轮12的旋转减速。
图2为限定内径(ID)和外径(OD)两者的示例定子制动盘38的示意透视图。定子制动盘38包括定位在环带的相反两侧上的相反的摩擦表面70。沿内径，定子制动盘38包括沿着内周边被切割到主体72定子制动盘38中的多个耳状物凹口72，该内周边被构造成与车轮和制动器组件10的齿条44接合并互连。对于转子盘式制动器36，耳状物凹口72将沿着环带的外径出现并且被构造成与横梁键40接合并互连。
在破坏过程中，齿条44和横梁键40可与转子和定子制动盘36和38的相应的耳状物凹口72接合，从而将大量扭矩转移到制动盘中。如下文进一步所述，可将在制动过程期间产生的扭矩力转移到C-C复合材料的下面的纤维架构中。如下文进一步所述，如果C-C复合材料的纤维以径向排列取向，则所得的力可在大致垂直于纤维的纵向长度的方向上施加。相比之下，如果纤维以正切排列取向(例如，垂直于半径对准)，则可以大致沿着纤维纵向长度的方向施加所得的力。所得的布置可导致在C-C复合材料内的下面的纤维上施加的弯曲或压缩力，这两者均不是为了加强所得的C-C复合盘式制动器最佳的。
如下文进一步所述，可用来形成转子和定子制动盘36和38的本文所述的纤维预成型件可包括在转子或定子制动盘36和38的指定区域内定制纤维取向的纤维架构。在一些示例中，纤维在转子或定子制动盘36和38的区域内最终限定耳状物凹口72的取向可达到中间角度，该中间角度可有助于改善转子或定子制动盘36和38的所得扭矩和强度特性。
图3为可用来制造本文所述致密的C-C复合材料的示例纤维预成型件100的示意透视图(例如，图1和图2的转子或定子制动盘36和38)。纤维预成型件100包括多个叠置纤维层102(相对于叠堆的中心轴线彼此堆叠)，它们被针刺在一起以形成呈环带形状的纤维预成型件100。
针刺工艺可将多个针状纤维104引入到将纤维层102机械地粘合在一起的纤维预成型件100中。针状纤维104可在与中心轴线108对准的大致垂直方向上延伸并渗透到两个或更多个或纤维层102中。在一些示例中，针状纤维104可有助于将纤维层102彼此固定。除此之外或另选地，与包括类似数目的不曾被针刺在一起的纤维层102的叠堆相比，针刺工艺和所得针刺纤维104可部分地压缩纤维层102以形成更压实的纤维预成型件100。
如下文进一步所述，每个纤维层102包括共同形成相应层102的多个织物片段106。在一些示例中，每个纤维层102可为平面圆盘或环的形式，而在其他示例中，每个纤维层102可为非平面的。例如，可通过顺序地围绕中心轴线108以连续螺旋的形式添加邻接的织物片段106来形成纤维预成型件100。在此类示例中，每个纤维层102可根据围绕中心轴线108的数目或转数来限定螺旋的一部分。在一些示例中，每个纤维层102可限定约0.9转至约1.2转(例如，约325度(°)至约420°)。在其中相应纤维层102限定螺旋的一个以上的完全旋转的示例中，相应纤维层102的一部分可与其自身重叠。尽管存在重叠，但相应的纤维层102仍可被表征为纤维预成型件100内的单个纤维层102。
虽然本文所述的一些附图示出了相对较少的用来形成相应纤维预成型件的层数，但由于本文所述的技术而产生的预成型件(例如，纤维预成型件100)可包括任何适宜数量的纤维层102(例如，30层或更多层)以产生所得预成型件的所需厚度(T)。在一些示例中，每个纤维层102可具有在与中心轴线108平行(例如，平行或几乎平行)的方向上测量的约1毫米(mm)至约2mm的厚度，并且当完成时，纤维预成型件100的总厚度(T)可为约1英寸至约3英寸(例如，约2.5cm至约7.6cm)。
在一些示例中，纤维预成型件100可被构造成具有形成为外径(OD)或内径(ID)的耳状物凹口72(图3中未示出)，这取决于纤维预成型件100是否旨在分别形成为转子盘式制动器36或定子盘式制动器38。耳状物凹口72可被预制成用于形成纤维预成型件100的织物片段106，可在相应的纤维层102和织物片段106均已被堆叠并针刺在一起之后被切割成纤维预成型件100，或者可在纤维预成型件100已经历一些或所有后续碳化和致密化工序以将纤维预成型件100转化成C-C复合材料之后被引入。如下文进一步所述，耳状物凹口72沿纤维预成型件100的内径或外径的预定位置可根据相应的织物片段106是否有助于纤维预成型件100的内径向截面或外径向截面来确定相应织物片段106内的纤维取向。
纤维预成型件100一旦完成，可为限定外预成型件直径(OD)和内预成型件直径(ID)的圆盘或环带的形状。在一些示例中，纤维预成型件100的外预成型件直径(OD)可为约14.5英寸(例如，约37cm)至约25英寸(例如，约64cm)，并且纤维预成型件100的内预成型件直径(ID)可为约4.5英寸(例如，约12cm)至约15英寸(例如，约38cm)。
图4为可用来形成本文所述的不同类型的织物片段，包括纤维预成型件100的织物片段106的示例性织物110的示意图。织物110包括多个单向对准的纤维120，它们被示出为在图4的x-轴方向上对准。纤维120可包括碳纤维，被配置为随后热解成碳纤维的纤维(下文称为“碳-前体纤维”)，或它们的组合。碳-前体纤维可包括例如聚丙烯腈(PAN)纤维、氧化聚丙烯腈(O-PAN)纤维、人造丝纤维等。
在一些示例中，纤维120可为连续长丝的丝束(例如，线性对准的单个纤维的束)的形式。每个丝束可包括数百个至数千个单向对准以形成单个丝束的单个纤维120。在此类示例中，织物110可包括在片段内的多个单向对准的丝束，每个丝束包含多根纤维120。
在一些示例中，织物110可为双工织物，其包括已与多个纤维网纤维(未示出)组合的多根单向对准的纤维120(例如，对准的丝束)。纤维网纤维可包括与纤维120相比相对短的具有未指明对准的短切、不连续或短纤维，所述纤维当在双工织物中与纤维120组合时，变得与对准的纤维120缠结以赋予织物110完整性。纤维网纤维可限定相对于彼此和对准的纤维120的无规纤维取向。
在一些示例中，双工织物的形成可通过将一个或多个对准的丝束纤维层(例如，纤维120)与一个或多个纤维网纤维层组合来实现，所述纤维网纤维层随后被针刺到丝束纤维层中以形成双工织物。例如，纤维网纤维层可通过使梳理过的纤维网交叉重叠以获得所需的面积重量，然后针刺该层以形成纤维网层而形成。除此之外或另选地，纤维网层可通过将纤维网纤维气流成网在单向对准的纤维120的层的顶部上来形成。单向对准的纤维120的层可通过使用线轴架铺展大的连续丝束来形成，以形成具有所需面积重量的片材，其具有在相同的方向上对准的纤维120。纤维网层和单向对准的纤维120的层两者均可针刺到一起以迫使相对较短的纤维网纤维与单向对准的纤维120变得缠结以形成双工织物(例如，织物110)。
除此之外或另选地，织物110可通过最初将纤维网纤维结合在单向对准的纤维120的丝束内而形成为双工织物。所述丝束的一层可通过使用线轴架铺展大的丝束来形成，以形成具有所需面积重量的片材。然后可对层进行针刺以迫使相对较短的纤维网纤维与单向对准的纤维120变得缠结，从而形成双工织物。
作为任一个上述示例中的针刺方法的结果，纤维网纤维与对准的纤维120变得相互缠结并且有助于将对准的纤维120粘结在一起，从而允许织物110被有效地处理而不使对准的纤维120分开或随着后续加工散架。所得双工织物(例如，织物110)可更耐用、更好地保持其形状，并且与仅单向对准的纤维120的层相比整体更容易进一步制造。也可使用其他技术将织物110形成为包括单向对准的纤维120和可为本领域的技术人员已知的纤维网纤维二者的双工织物。在本文所述的所有示例中，用来形成本文所述纤维预成型件的织物110和织物片段可由一层或多层双工织物构成。
在一些示例中，除了将织物110保持在一起之外，用来生产双工织物的纤维网纤维可最终用来形成或有助于纤维预成型件100中的针状纤维104的一部分，这是作为纤维层102被叠置(例如，彼此堆叠)并针刺在一起的结果。除此之外或另选地，由于纤维层102被叠置并针刺在一起，单向对准的纤维120中的至少一些可被转化成纤维预成型件100内的针状纤维104。例如，针刺工艺可使包含在织物110中的一些单向对准的纤维120断裂，并且将断裂的纤维至少部分地转移到纤维预成型件100内的一个或多个相邻纤维层102中以形成针状纤维104。
纤维网纤维和单向对准的纤维120均可由相同的碳纤维或碳纤维前体材料形成，可由不同的碳纤维或碳纤维前体材料形成，或可由碳纤维和/或碳纤维前体材料的不同组合形成。在一些示例中，织物110可被成形为具有纤维网和单向对准的纤维120相组合的约1250克每平方米(g/m2)至约3000g/m2，诸如约1350g/m2至约2000g/m2的面积纤维重量。
图4示出了从具有不同类型的纤维取向的织物110切割的总共四个织物片段112-118。每个织物片段112-118可根据其弧角
Figure GDA0003893612650000091
及其纤维取向角度(α)来表征，其概念示出于图5中，其为示例性织物片段130的示意性鸟瞰图。织物片段130包括单向对准的纤维132，其可限定代表织物片段130的弓形形状的中心或平分线的片段平分线134。纤维取向角度(α)表示介于片段平分线134与其中单向对准的纤维132对准的方向之间的角度。弧角
Figure GDA0003893612650000092
表示介于相应织物片段132的邻接边缘136之间的角度，并且指示相应的织物片段132将占据纤维层102内的旋转度。例如，等于360°的弧角
Figure GDA0003893612650000093
表示围绕中心轴线108的一个完全旋转，而等于45°的弧角
Figure GDA0003893612650000094
表示围绕中心轴线108的完全旋转的1/8。
本文所述的织物片段的纤维取向角度(α)可为0°至±90°(例如，从负(-)90°至正(+)90°的任何位置)。例如，重新参见图4，织物片段112可被表征为具有90°的纤维取向角度(α)，因为织物片段112的片段平分线基本上垂直于(例如，垂直或几乎垂直)单向对准的纤维120的方向。在一些此类示例中，织物片段112可被称为具有“切向对准”或“弦对准”的纤维取向。织物片段114可被表征为具有0°的纤维取向角度(α)，因为织物片段114的片段平分线基本上平行于(例如，平行或几乎平行)单向对准的纤维120的方向。在一些此类示例中，织物片段114可被称为具有“径向对准”的纤维取向。织物片段116和118的特征可在于具有约+45°或约-45°的纤维取向角度(α)，因为织物片段116和118的片段平分线与单向对准的纤维120偏置约45°。
可使用任何适宜的技术从织物110获得每个织物片段112-118。在一些示例中，织物片段112-118可从织物110冲切，具有纤维取向角度(α)，通过相对于单向对准的纤维120的取向调节冲切的角度而获得。如本领域的技术人员将会知道的那样，织物片段116和118可使用相同的冲切取向来构造，具有通过简单地翻转相应的织物片段(例如，翻转织物片段116将产生织物片段118)而获得+45°或-45°的相应纤维取向角度(α)。对于0°至90°的中间纤维取向角度(α)，这种理解同样适用。例如，织物片段可形成为具有80°的纤维取向角度(α)。如果需要，为了获得具有-80°纤维取向角度(α)的织物片段，可简单地翻转相应的织物片段。
在一些示例中，本文所述的织物片段可限定弧角
Figure GDA0003893612650000101
使得形成纤维预成型件100的单个纤维层102的织物片段完成单个完全旋转。例如，如果使用总共六个弧形织物片段132来限定一个完整纤维层102，则每个织物片段132可限定60°的弧角
Figure GDA0003893612650000102
使得当与相邻织物片段132的邻接边缘接触的邻接边缘136(例如，限定弧角
Figure GDA0003893612650000103
的边缘)对准时六个织物片段132将完成一个完全旋转，每个织物片段占据相应纤维层102的1/6。
在一些示例中，本文所述的织物片段可限定在纤维层102内不添加至多360°(即，一个完全旋转)的弧角
Figure GDA0003893612650000104
例如，织物片段106的尺寸可被设定成使得相应纤维层102内的多个织物片段106在层内完成多于一次或小于一次的完全旋转。在一些示例中，每个织物片段106可限定约65°至约70°(例如，约68°)的弧角
Figure GDA0003893612650000105
然而，如果需要，可使用其他弧角
Figure GDA0003893612650000106
在其中形成纤维预成型件100的相应织物片段(例如，织物片段106)各自限定约65°至约70°的弧角
Figure GDA0003893612650000107
的一些示例中，相应纤维层102可完成每纤维层102约1.08转至约1.17转。例如，织物片段106可按连续螺旋图案顺序添加。如果所有相应的织物片段106限定约68°的弧角
Figure GDA0003893612650000108
则相应纤维层102可完成约1.13转，层的一小部分(例如，约13％)自身重叠。
如下文进一步所述，将弧角
Figure GDA0003893612650000111
设定为约65°至约70°(例如，约68°)可有助于最小化最终构造的纤维预成型件100内相邻纤维层102之间的邻接边缘136的对接重叠。除此之外或另选地，对于织物片段106具有约65°至约70°(例如，约68°)的弧角
Figure GDA0003893612650000112
可有助于在纤维预成型件100内相比于较大弧角
Figure GDA0003893612650000113
形成纤维120的更均匀的对准。
出于下文进一步描述的原因，每个纤维层102可被分离成内径向截面140和外径向截面142，每个相应截面由不同组的织物片段106形成。图6A和图6B为可用来形成纤维层102的一部分的织物片段144和146的两个不同组150示意图。图6A示出了可用来分别形成相应纤维层102的内径向截面140和外径向截面142的部分的织物片段144A和146A的组150A，并且图6A示出了可用来分别形成内径向截面140和外径向截面142的部分的织物片段144B和146B的组150B。
在织物片段144和146的每个组150内，两个相应的织物片段144和146的尺寸和形状可被设定使得当在纤维预成型件100内对准时，组150的相邻边缘148被构造成彼此邻接。另外，在相应的组150内的每个织物片段144和146可限定基本上相同的(例如，在制造技术的公差内相同)弧角
Figure GDA0003893612650000114
使得当织物片段144和146的片段平分线径向对准并被添加到纤维预成型件100时，邻接边缘136排列基本上齐平(例如，齐平或几乎齐平)。
如图6A和图6B中所示，织物片段144A和146A的组150A与织物片段144B和146B的组150B之间的差异为每个织物片段的相应径向长度(R1-R4)。每个组150被示出为分解图，相邻边缘148被分离，这将在最终叠堆中彼此邻接。在织物片段144A和146A的组150A中，可用来形成纤维层102的内径向截面140的部分的织物片段144A与可用来形成外径向截面142的织物片段146A的径向长度(R2)相比，限定较大的径向长度(R1)。相比之下，可用来形成纤维层102的内径向截面140的部分的织物片段144B与可用来形成外径向截面142的部分的织物片段146B的径向长度(R4)相比，限定较小的径向长度(R3)。织物片段144和146的相应组150的组合径向长度可限定纤维预成型件100的径向长度(例如，R1+R2＝R'或R3+R4＝R')。
在一些示例中，相应组150内的织物片段144和146的径向长度可基本上相同(例如，R1＝R2或R3＝R4)，而在其他示例中，织物片段144和146的相应组150内的径向长度可根据纤维型预成型件100是否被设计成用作转子或定子盘式制动器36和38而不同地设定尺寸。例如，如上所述，定子盘式制动器36可包括被切割成环带的内径(ID)的多个耳状物凹口72，而转子盘式制动器38可包括被切割成环带的外径(OD)的多个耳状物凹口72。旨在容纳耳状物凹口72的纤维预成型件100的相应区域可被构造成具有包括较小径向长度(例如，R2或R3)的织物片段。例如，织物片段144A和146A的组150A可用来形成转子盘式制动器36，其中耳状物凹口72将沿着外径(ID)形成并切割成织物片段146A。织物片段144B和146B的组150B可用于形成定子盘式制动器36，其中耳状物凹口72将沿内径(ID)形成并切割成织物片段144B。通过以此方式构造纤维预成型件100，旨在容纳耳状物凹口(例如，织物片段146A和144B)的织物片段内的纤维取向可针对扭矩强度进行优化，而形成纤维预成型件100的大部分径向长度的织物片段(例如，织物片段144A和146B)可被优化以用于摩擦。
在一些示例中，织物片段144和146的相应组150的尺寸可设定成使得具有较小径向长度的织物片段(例如，织物片段146A或144B)的尺寸设定成使得径向长度(例如，R2或R3)的量小于纤维预成型件100的总径向长度(R')的一半。在一些示例中，具有较小径向长度的织物片段的尺寸可被设定成使得织物片段144和146的相应组150的径向长度的相对比率可为约0.3至约0.8(例如，R2:R1和R3:R4可各自在约0.3至约0.8的范围内)。除此之外或另选地，具有较小径向长度(例如，R2或R3)的织物片段的量可相当于纤维预成型件100的总径向长度(R')的大概1/3(例如，约R'/3，具有变化以允许避免与相邻边缘148相关联的对接重叠，如下文进一步所述)。
在一些示例中，相邻边缘148可呈如图6A和图6B所示的圆弧形式(例如，相对于中心轴线108具有恒定半径的弧)。在其他示例中，相邻边缘148可限定非圆弧、一个或多个几何联锁结构、或两者。图7A和图7B为可用来形成纤维层102的一部分的织物片段(例如，织物片段144C和146C的组150C或织物片段144D和146D的组150D)的附加示例组的示意图。每个组150被示出为分解图，相邻边缘152和154被分离，这将在最终叠堆中彼此邻接。图7A示出了可用于分别形成相应纤维层102的内径向截面140和外径向截面142的部分的织物片段144C和146C的组150C，并且包括沿被构造成彼此几何对准和配对的相邻边缘152包括的一个或多个几何联锁结构156。例如，织物片段146C的相邻边缘152可包括与沿着织物片段144C的相邻边缘152的对应的凹陷部配合的一个或多个几何突出部，反之亦然。在一些示例中，几何联锁结构156可为限定矩形、三角形或其他适宜形状的齿形。在此类示例中，径向长度R1和R2可分别指织物片段144C和146C的最小径向长度和最大径向长度，反之亦然。
图7B示出了可用来分别形成相应纤维层102的内径向截面140和外径向截面142的部分的织物片段144D和146D的组150D，并且包括限定被构造为彼此几何成对的非圆弧的相邻边缘154。在一些示例中，相邻边缘154可限定起伏的、线性的、它们的组合、或其他非圆形边缘(例如，相对于中心轴线118的径向弧线为非圆形的)。在此类示例中，径向长度R1和R2可分别指织物片段144C和146C的最小径向长度和最大径向长度，反之亦然。
在一些示例中，相应组150内的织物片段144和146的单向对准的纤维120的取向可彼此相对不同。图8A和图8B为可用来制造致密碳-碳复合盘式制动器(例如，定子或转子制动器36和38)的示例纤维预成型件160的一组示意性鸟瞰(图8A)和侧面(图8B)视图。纤维预成型件160包括多个叠置的纤维层162，它们使用针刺装置164堆叠和针刺到一起，以产生延伸到多于一个纤维层162中的多根针状纤维(未示出)。每个纤维层162可由多个织物片段170和172形成，其螺旋对准并叠加在先前形成的纤维层162上(例如，纤维层162A定位在纤维层162B上)。
在每个纤维层162内，多个织物片段170和172包括形成纤维预成型件160的内径向截面174的部分的至少一个织物片段170和形成纤维预成型件160的外径向截面176的部分的至少一个织物片段172。在一些示例中，有助于内径向截面174的织物片段170和有助于外径向截面174的织物片段172可沿相邻边缘178彼此邻接并且限定纤维预成型件160的总径向长度。在一些示例中，相邻边缘178可包括一个或多个几何联锁结构或限定非圆形边缘，如上文关于图7A和图7B所述，其可改善纤维预成型件160的剪切或扭矩强度。
形成相应纤维层162A的多个织物片段170和172的每个织物片段可限定相应的弧角
Figure GDA0003893612650000141
和纤维取向角度(α)。用来形成织物片段片段170和172的弧角
Figure GDA0003893612650000142
纤维取向角度(α)以及下面的织物110可基本上与上文关于图3-6B所述的那些相同，除了任何下文指出的差别以外。另外，除了下文指出的任何差异之外，纤维预成型件160可基本上与纤维预成型件100相同。
在一些示例中，形成纤维预成型件160的内径向截面174的部分的相应一个或多个织物片段170可包括与形成外径向截面176的部分的一个或多个织物片段172不同的纤维取向角度(α)。例如，在其中相应的径向截面(例如，内径向截面174)旨在容纳耳状物凹口72的示例中，有助于该径向截面的相应的一个或多个织物片段(例如，织物片段170)可限定约+10°至约+80°或约-10°至约-80°(统称为“±10-80°”)的纤维取向角度(α)；可限定约+30°至约+60°或约-30°至约-60°的纤维取向角度(α)；可限定约+40°至约+50°或约-40°至约-50°的纤维取向角度(α)；或设置约-45°或+45°的纤维取向角度(α)。
在一些示例中，通过使有助于耳状物区域的织物片段170或174的纤维取向角度(α)为约±10°-80°(例如，±45°)，与其中织物片段内的单向对准的纤维120相切或径向对准的织物片段(例如，织物片段112和114)相比，相应的织物片段170或174内的单向对准的纤维120可表现出改善的扭矩强度。另外，在其中给定的径向截面(例如，外径向截面176)并非旨在容纳耳状物凹口72的示例中，有助于该径向截面的相应一个或多个织物片段(例如，织物片段172)可限定约0°或约90°的纤维取向角度(α)，使得相应的一个或多个织物片段(例如，织物片段172)内的单向对准的纤维120是径向或切向对准的。在一些示例中，虽然径向或切向对准的纤维对于分配在耳状物区域内产生的扭矩载荷可能不是最佳的，但与其他纤维取向角度(α)相比，径向或切向对准的纤维可具有改善的摩擦和热耗散特性。
例如，如果纤维预成型件160被用来在相应的纤维层162A中构造定子盘制动器38，则形成内径向截面174的所有织物片段170可各自限定相同的纤维取向角度(α)，所述纤维取向角度可为约±10-80°(例如，±45°)，并且形成外径向截面176的所有织物片段172可各自限定约0°或约90°的纤维取向角度(α)。所得纤维层162A可被构造成接纳内径向截面174内的耳状物凹口。在一些此类示例中，形成内径向截面174的织物片段170的径向长度可小于形成外径向截面176的织物片段172的径向长度，如上文关于图6A和图6B所讨论的。
如果纤维预成型件160被用来在相应的纤维层162A中构造转子制动器36，则形成外径向截面176的所有织物片段172可各自限定纤维取向角度(α)，所述纤维取向角度可为约±10-80°(例如，±45°)，并且形成内径向截面174的所有织物片段170可各自限定约0°或约90°的相同纤维取向角度(α)。所得纤维层162A可被构造成接纳外径向截面176内的耳状物凹口。在一些此类示例中，形成外径向截面176的织物片段172的径向长度可小于形成内径向截面174的织物片段170的径向长度，如上文关于图6A和图6B所讨论的。
多个织物片段170和172中的每一个可限定任何适宜的弧角
Figure GDA0003893612650000151
在一些示例中，每个相应的织物片段170和174可限定设置在约65°至约70°(例如，约68°)处的相同弧角
Figure GDA0003893612650000152
在一些此类示例中，每个纤维层162可包括总共十二个织物片段170和172，例如，有助于内径向截面174的六个织物片段170，以及有助于外径向截面176的六个织物片段172。一个内织物片段和一个外织物片段(例如，图8A中所识别的织物片段170和172)的每个相应的组150可被定位和设定尺寸，使得它们各自的相邻边缘178彼此邻接，并且它们相应的片段平分线径向对准。通过将弧角
Figure GDA0003893612650000153
设定为约65°至约70°的值，可分散介于顺序铺设的织物片段170或172的邻接边缘182之间的相关对接接头180，使得相应的对接接头180不在相邻纤维层162A和162B之间轴向对准，从而改善纤维预成型件160的强度。对接接头180的非轴向对准可见于图8B。应当理解，在所述示例中，每个纤维层162在螺旋内相对于纤维预成型件160的中心轴线184完成多于一次的旋转。
在一些示例中，纤维预成型件160内的直接相邻纤维层162可包括相对于不同纤维层162限定不同纤维取向角度(α)的织物片段170和172。图9A和图9B为纤维预成型件160B的一组示意性鸟瞰图(图9A)和横截面图(图9B)，其包括图8A中所示的纤维预成型件160加上添加到纤维预成型件160的上表面上的附加的纤维层162C的一半。纤维层162C的一半包括多个织物片段190和192。附加纤维层162C的仅一半(例如，三个织物片段190和三个织物片段192)示于图中9A中用于示例性目的，以示出下文所述的一些概念，并且可添加附加纤维层162C的其余部分以完成该层。织物片段190和192可如图9B为沿径向线R截取的平行于中心轴线184(例如z-轴)的纤维预成型件160B的横截面侧视图(图9B的坐标显示在z-R平面中)。
在一些示例中，直接相邻的纤维层162A和168B可被构造成表现出相对于彼此偏置约90°的纤维取向角度(α)。例如，如果相应径向截面(例如，内径向截面174)的相应的织物片段(例如，织物片段170)限定第一纤维取向角度(α)(例如，设置为约+45°)，则在下一个直接相邻纤维层162C中形成类似内径向截面或外径向截面的织物片段(例如，织物片段190)可被构造成具有与第一纤维取向角度相对的约90°的第二纤维取向角度(α)(例如，设置为约-45°)。在一些示例中，通过使直接相邻纤维层162A和167C之间的纤维取向角度(α)相对于彼此偏置约90°，可有助于改善所得的C-C复合材料的总体强度。
作为用于定子盘式制动器38的构造的一个非限制性示例，第一纤维层162A可包括由限定约+10°至约+80°(例如，+45°)的第一纤维取向角度(α)的一个或多个织物片段170构成的内径向截面174，和由限定约+90°(例如，正切对准)的第二纤维取向角度(α)的一个或多个织物片段172构成的内径向截面176。纤维预成型件160B可包括第二直接相邻的纤维层162C，其包括由限定约-10°至约-80°(例如，-45°)的第三纤维取向角度(α)的一个或多个织物片段190构成的内径向截面174，以及由限定约0°(例如，径向对准)的第四纤维取向角度(α)的一个或多个织物片段192构成的外径向截面176。在一些此类示例中，第一纤维取向角度和第三纤维取向角度以及第二纤维取向角度和第四纤维取向角度(α)可分别偏置约90°。
在一些示例中，为了减少在纤维预成型件160B内相邻纤维层162A和162C之间沿织物片段170、172、190、192的相邻边缘178和178B的对接重叠的存在，在相邻纤维层162A和162C内织物片段170/190和172/192的径向长度可不同，边缘可包括在相邻纤维层162A和162C内一个或多个彼此径向地和/或轴向地偏置的几何联锁结构156，在相邻纤维层162A和162C内限定了彼此偏置(例如，不轴向地对准)的非圆形边缘，或它们的组合，这可改善纤维预成型件160B的剪切或扭矩强度。例如，如图9A和图9B所示，纤维层162C内的相应织物片段190和192的组可限定相邻边缘178B，该相邻边缘从直接下面纤维层162A内的相应织物片段170和172的组的相邻边缘178径向偏置。织物片段170、172、190和192可各自限定径向长度R5、R6、R7和R8。形成相应相邻纤维层162A和162C的内径向截面174的部分的织物片段170和190的相应径向长度(例如，径向长度R5和R7)可相对不同，使得相邻边缘178和178B不沿中心轴线184径向重叠。同样，织物片段172和192的相应径向长度(例如，径向长度R6和R8)可相对不同。减少相邻层内的相邻边缘178和178B之间的对接重叠的存在可有助于改善所得纤维预成型件160B的强度和粘结性。
除此之外或另选地，织物片段170、172、190和192可各自沿着相邻边缘178和178B限定一个或多个或多个几何联锁结构156。每个纤维层162A和162C内的几何联锁结构156可被偏置，使得相邻纤维层162A和162C内的相应突出部和凹陷部不轴向对准。
如关于图6A和图6B所述，可根据耳状物凹口72是否旨在沿纤维预成型件160B的内径或外径形成来选择相应的织物片段170/172或190/192的组的径向长度。例如，在其中预成型件160B旨在形成定子制动盘38的示例中，有助于相应纤维层162内的内径向截面174的织物片段170和190的径向长度可小于有助于相应纤维层162内的外径向截面176的织物片段172和192的径向长度(例如，R5<R6和R7<R8)。在一些此类示例中，相应的织物片段170/172或190/192的组的径向长度的相对比率可设置为约0.3至约0.8(例如，R5:R6和R7:R8各自在约0.3至约0.8的范围内)，不同层162A和162C的相对比率不同以解释相邻边缘178和178B之间的对接重叠(例如，R5:R6≠R7:R8)。
在其中预成型件160B旨在形成转子制动盘36的一些示例中，相对长度可颠倒使得比率为R5>R6和R7>R8，R6:R5和R8:R7各自在约0.3至约0.8的范围内。同样，不同层162A和162C的相对比率可不同以解释相邻边缘178和178B之间的对接重叠(例如，R6:R5≠R8:R7)。
相邻纤维层162A和162C之间的相邻边缘178和178B的径向重叠(例如，R9)可相对较小。在一些示例中，径向重叠(R9)可小于约20毫米(mm)，诸如小于约5(mm)，然而也可使用其他长度。
相应的织物片段170/172或190/192的组的径向长度可共同将纤维预成型件160B的径向长度总计化成在制造公差(例如，R5+R7＝R6+R8＝R')内。
一旦纤维预成型件160B已完全成形至期望的厚度(T)，预成型件就可经受一个或多个热解和致密循环。例如，纤维预成型件160B可最初热解(例如，碳化)以将任何碳-前体材料转化成碳。然后可使纤维预成型件160B经受一个或多个致密循环，诸如化学气相沉积/化学气相渗透(CVD/CVI)、真空/压力渗透(VPI)或树脂转移模塑(RTM)，之后进行后续的热解或热处理循环以用碳基质材料渗透多孔预成型件。
本文所述的纤维预成型件可使用任何适宜的技术形成。图10为示出制造纤维预成型件的示例技术的流程图。为了便于说明，图10的示例性方法主要相对于纤维预成型件160B进行描述；然而，可使用所述的技术形成其他纤维预成型件，并且可使用其他技术制造图7A–图8B的纤维预成型件160和160B。
图10的示例技术包括叠置(例如，螺旋堆叠)和针刺多个织物片段170、172、190、192以产生被针刺在一起的多个纤维层162，以形成呈环带(200)形状的纤维预成型件160B；热解纤维预成型件160B(202)；并致密所得预成型件160B(204)。
如上所述，每个纤维层162可包括相应的多个织物片段170/172、190/192，它们可通过堆叠多个织物片段以形成螺旋而顺序地添加。在一些示例中，每个纤维层162可完成约0.9至约1.2转的螺旋，使得邻接边缘178和178B之间的对接接头180在相邻纤维层162A和162C之间不径向重叠。
在预成型件160B内，每个相应的纤维层162A可被分成内径向截面174和外径向截面176。形成相应纤维层162A的相应多个织物片段170/172可被切割并成形，使得织物片段170中的至少一者有助于内径向截面174的部分，并且织物片段172中的至少一者有助于外径向截面176的部分。织物片段170和172的相应组150可各自限定相同的弧角
Figure GDA0003893612650000181
并且被定位成使得它们的相应的片段平分线134径向对准。如上所述，相应组内的织物片段170和172可限定不同的纤维取向角度(α)和径向长度(R5和R6)，它们均相对不同并且可取决于预成型件160B是否旨在形成转子制动盘36或定子制动盘38。除此之外或另选地，相邻纤维层162A和162B(R5-R8)内的织物片段170、172、190、192的径向长度可相对不同，以避免相邻边缘178和178B之间存在对接重叠。
在被添加至纤维预成型件160B后，每个织物片段或织物片段组可被针刺。在一些示例中，织物片段可在逐层基础上被针刺到预成型件160B中。除此之外或另选地，可将多于一个纤维层162添加到预成型件160B中，然后可对集合体叠置层162针刺。然后整个过程可继续，直到获得所需的预成型件厚度(T)。
一旦已形成纤维预成型件160B，就可对纤维预成型件160B进行热解(202)，以通过热降解工艺将任何碳-前体材料转化成碳，从而有效地烧掉任何非碳材料。例如，可通过在惰性或还原条件下在蒸馏瓶中加热纤维预成型件160B来碳化纤维预成型件160B，以从纤维120和/或针状纤维104中除去非碳组分(氢、氮、氧等)。可使用蒸馏器，诸如高压釜、加热炉、热等静压机、单轴热压机等来进行碳化。在这些技术中的每一种中，纤维预成型件160B可在惰性气氛中在约600℃至约1000℃范围内的温度下加热，同时任选地被机械压缩。机械压缩可用来限定纤维预成型件160B的几何形状(例如，厚度(T))。在一些示例中，可用氮气温和吹扫蒸馏器大约1小时，然后经过大概10-20小时的过程缓慢加热至约900℃，之后经过大概1-2小时内将温度升高至约1050℃。然后在使碳化预成型件冷却过夜之前，将蒸馏器保持在约1050℃大概3-6小时。在一些示例中，碳化步骤可在甚至更高的温度下进行，包括至多约1800℃或至多约2600℃。
在碳化之后，纤维预成型件160B可经受一个或多个致密循环以形成C-C复合材料(204)。示例性的致密循环可包括，例如通过施加含碳气体的CVI/CVD的一个或多个循环来致密。在CVI/CVD处理期间可使用任何适宜的含碳气体，包括例如碳基气体，诸如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯或乙炔，或这些气体中的至少两种的组合。在一些示例中，含碳气体通过CVI/CVD致密纤维预成型件160B的应用可基本上在真空空间(例如，具有内部环境为小于100托的容器)中或在惰性气体环境下发生，以便控制化学沉积反应。在一些示例中，在施加CVI/CVD气体期间，包括纤维预成型件160B的环境可被加热至高温，例如约900℃至约1200℃，以促进化学沉积反应。
在其他示例中，可使用其他适宜的技术来致密(204)纤维预成型件160B，所述技术包括例如通过树脂转移模塑(RTM)加工、真空压力渗透(VPI)加工、高压渗透(HPI)等进行树脂渗透和碳化。在一些示例中，致密步骤(204)可产生具有约1.65g/cc至约1.95g/cc的最终密度的致密的C-C复合基底。
在一些示例中，在致密纤维预成型件160B期间或之后，所得的C-C复合材料的主摩擦表面可被雕塑成所需的形状，诸如最终的制动盘形状。例如，C-C复合基底可打磨成具有最终厚度T(例如，约1.4英寸)的致密C-C复合盘式制动器的形状。除此之外或另选地，此时可形成耳状物凹口72。
已经描述了各种示例。这些示例和其他示例在以下权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种用于碳-碳复合材料的预成型件，所述预成型件包括：
多个纤维层，所述多个纤维层被堆叠并针刺在一起，以形成呈环带形状的所述预成型件，所述环带包括：
限定内预成型件直径的内径向截面；和
限定外预成型件直径的外径向截面；
其中所述多个纤维层中的每个纤维层包括相应的多个织物片段，所述相应的多个织物片段包含碳纤维或碳-前体纤维中的至少一者，其中所述多个纤维层中的至少一个纤维层包括：
形成所述内径向截面的至少一部分的第一织物片段，所述第一织物片段限定第一片段平分线和第一纤维取向角度；和
形成所述外径向截面的至少一部分的第二织物片段，所述第二织物片段限定第二片段平分线和第二纤维取向角度，其中所述第一片段平分线和所述第二片段平分线在所述至少一个纤维层内径向对准，并且其中所述第一纤维取向角度不同于所述第二纤维取向角度。
2.根据权利要求1所述的预成型件，其中所述第一纤维取向角度或所述第二纤维取向角度中的任一个为负(-)10度至-80度或正(+)10度至+80度。
3.根据权利要求2所述的预成型件，其中所述第一纤维取向角度或所述第二纤维取向角度中的任一个为+45度或-45度。
4.根据权利要求1所述的预成型件，其中第一织物片段和所述第二织物片段各自限定65度至70度的弧角。
5.根据权利要求1所述的预成型件，其中所述多个纤维层以螺旋形式被堆叠和针刺在一起，其中所述多个纤维层中的每个纤维层完成0.9转至1.2转的所述螺旋。
6.根据权利要求1所述的预成型件，其中所述第一织物片段限定第一径向长度，并且所述第二织物片段限定第二径向长度，其中所述第一径向长度与所述第二径向长度的比率为0.3至0.8。
7.根据权利要求1所述的预成型件，其中所述第一织物片段限定第一相邻边缘，并且所述第二织物片段限定邻接所述第一相邻边缘的第二相邻边缘，其中所述第一相邻边缘和所述第二相邻边缘具有互补的几何联锁结构。
8.根据权利要求1所述的预成型件，其中所述至少一个纤维层包括第一纤维层，所述多个纤维层还包括第二纤维层，所述第二纤维层包括：
形成所述内径向截面的至少一部分的第三织物片段，所述第三织物片段限定第三片段平分线和第三纤维取向角度；和
形成所述外径向截面的至少一部分的第四织物片段，所述第四织物片段限定第四片段平分线和第四纤维取向角度，其中所述第三片段平分线和所述第四片段平分线在所述第二纤维层内径向对准，并且其中所述第三纤维取向角度不同于所述第四纤维取向角度。
9.一种形成用于碳-碳复合材料的预成型件的方法，包括：
堆叠和针刺多个织物片段以产生多个纤维层，所述多个纤维层被针刺在一起以形成呈环带形状的预成型件，所述环带包括：
限定内预成型件直径的内径向截面；和
限定外预成型件直径的外径向截面；
其中所述多个纤维层中的每个纤维层包括相应的多个织物片段，所述相应的多个织物片段包含碳纤维或碳-前体纤维中的至少一者，其中所述多个纤维层中的至少一个纤维层包括：
形成所述内径向截面的至少一部分的第一织物片段，所述第一织物片段限定第一片段平分线和第一纤维取向角度；和
形成所述外径向截面的至少一部分的第二织物片段，所述第二织物片段限定第二片段平分线和第二纤维取向角度，其中所述第一片段平分线和所述第二片段平分线在所述至少一个纤维层内径向对准，并且其中所述第一纤维取向角度不同于所述第二纤维取向角度。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第一纤维取向角度为负(-)10度至-80度，或正(+)10度至+80度，并且所述第二纤维取向角度为0度或90度。
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