CN110863296B - 分层碳纤维预制件 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“分层碳纤维预制件”。一种用于碳‑碳复合材料的预制件，包括叠置并针刺在一起的多个纤维层。多个纤维层中的每个纤维层包括网状纤维和丝束纤维，网状纤维和丝束纤维各自包括碳纤维或碳‑前体纤维中的至少一种。多个纤维层包括第一纤维层、第二纤维层和第三纤维层，该第三纤维层定位在第一纤维层与第二纤维层之间。第三纤维层包括以下中的至少一者：小于第一纤维层的网状纤维与丝束纤维的比率的网状纤维与丝束纤维的比率、大于第一纤维层的面积重量的面积重量、或者大于第一纤维层的预针刺厚度的预针刺厚度。

Description

分层碳纤维预制件
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-碳复合材料是包括基质的复合材料，该基质包括用碳纤维增强的碳。碳-碳(C-C)复合材料部件可用于许多高温应用中。例如，航空航天工业采用C-C复合材料部件作为商用和军用飞机的摩擦材料，诸如制动器摩擦材料。
一些碳-碳复合材料，诸如用于航空航天工业的一些碳-碳复合材料制动盘，可由包括碳纤维层的多孔预制件制造，其可使用包括化学气相沉积/化学气相渗透(CVD/CVI)、真空/压力渗透(VPI)或树脂转移模塑(RTM)在内的若干种工艺中的一种或多种来致密化以用碳渗透多孔预制件。在致密化过程之前，可使一些预制件经受针刺处理。
发明内容
在一些示例中，本公开描述了一种用于碳-碳复合材料的预制件，该预制件包括叠置并针刺在一起的多个纤维层，多个纤维层中的每个纤维层包括网状纤维和丝束纤维，其中丝束纤维和网状纤维包括碳纤维或碳-前体纤维。多个纤维层包括第一纤维层、第二纤维层和定位在第一纤维层与第二纤维层之间的第三纤维层，其中第三纤维层包括以下中的至少一者：小于第一纤维层的网状纤维与丝束纤维的比率的网状纤维与丝束纤维的比率；大于第一纤维层的面积重量的面积重量；或者大于第一纤维层的预针刺厚度的预针刺厚度。
在一些示例中，本公开描述了一种方法，该方法包括将多个纤维层叠置并针刺在一起以形成碳-碳复合材料的预制件，其中多个纤维层中的每个纤维层包括网状纤维和丝束纤维，其中丝束纤维和网状纤维包括碳纤维或碳-前体纤维。多个纤维层包括第一纤维层、第二纤维层和定位在第一纤维层与第二纤维层之间的第三纤维层，其中第三纤维层包括以下中的至少一者：小于第一纤维层的网状纤维与丝束纤维的比率的网状纤维与丝束纤维的比率；大于第一纤维层的面积重量的面积重量；或者大于第一纤维层的预针刺厚度的预针刺厚度。
在一些示例中，本公开描述了一种碳-碳复合材料，该碳-碳复合材料包括碳基质材料和叠置并针刺在一起的多个纤维层。多个纤维层中的每个纤维层包括网状纤维和丝束纤维，其中丝束纤维和网状纤维包括碳纤维。多个纤维层包括第一纤维层、第二纤维层和定位在第一纤维层与第二纤维层之间的第三纤维层，其中第三纤维层包括以下中的至少一者：小于第一纤维层的网状纤维与丝束纤维的比率的网状纤维与丝束纤维的比率；大于第一纤维层的面积重量的面积重量；或者大于第一纤维层的预针刺厚度的预针刺厚度。
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、目的和优点将从描述和附图以及从权利要求书中显而易见。
附图说明
图1是示出示例车轮和制动器组件的概念图，该车轮和制动器组件可包括根据本公开的技术形成的一个或多个C-C复合材料盘式制动器。
图2是可用于制造致密化的C-C复合材料(诸如图1的转子和定子制动盘)的示例纤维预制件的示意性透视图。
图3是可用于形成图2的纤维预制件的相应的纤维层的至少一部分的示例双面织物的示意图。
图4是可由图2的纤维预制件制备的呈盘式制动器形状的示例C-C复合材料的透视图。
图5是说明分别制造图2和图4的纤维预制件和C-C复合材料的示例技术的流程图。
具体实施方式
本公开描述了用于制备碳纤维预制件的技术。此类预制件可用于制备致密化的碳-碳(C-C)复合材料，诸如C-C复合材料盘式制动器，用于例如飞行器或其他车辆。所述预制件可包括叠置并针刺在一起以形成呈环的形状的纤维预制件的多个纤维层(例如，彼此堆叠的纤维层)。每个纤维层可使用网状和丝束碳纤维或碳-前体纤维的组合形成。相应的纤维层的纤维结构可根据相应的纤维层定位在纤维层的叠置堆叠内(相对于堆叠的中心轴定位)的位置来选择，以帮助定制由纤维预制件形成的所得C-C复合材料的物理和机械性能。在一些示例中，所述纤维层的纤维结构可通过例如改变相应的层内网状纤维与丝束纤维的比率、改变相应的层内的面积重量(例如，每单位面积纤维的重量)、改变相应的层的相对厚度、或它们的组合来调节。
图1是示出示例车轮和制动器组件的概念图，该车轮和制动器组件10可包括根据本公开的技术形成的一个或多个C-C复合材料盘式制动器。为了便于描述，将主要关于由C-C复合材料形成的飞机制动器组件来描述本公开的示例。然而，本公开的技术可用于形成除飞机制动盘之外的C-C复合材料部件。例如，C-C复合材料部件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、制动器堆叠58和轴18。车轮12包括轮毂20、车轮支腿凸缘22、凸缘密封件24A和24B、凸耳螺栓26和凸耳螺母28。致动器组件14包括致动器壳体30、致动器壳体螺栓32和柱塞34。制动器堆叠58包括交替的转子制动盘36和定子制动盘38；转子制动盘36构造成相对于定子制动盘38移动。转子制动盘36通过梁键40安装在车轮12上，并且特别是轮毂20上。定子制动盘38通过齿条44安装到轴18，并且特别是扭矩管42。车轮和制动器组件10可支承任何种类的私人、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，在图1的示例中，车轮12由轮毂20和车轮支腿凸缘22限定。车轮支腿凸缘22可通过凸耳螺栓26和凸耳螺母28机械地固定到轮毂20上。车轮12限定了凸缘密封件24A和24B。在组装期间，可充气轮胎(未示出)可放置在轮毂20上方并通过车轮支腿凸缘22固定在相对侧上。此后，可将凸耳螺母28紧固在凸耳螺栓26上，并且可充气轮胎可用凸缘密封件24A和24B充气，从而为可充气轮胎提供气密密封。
车轮和制动器组件10可经由扭矩管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固定到轴18上。扭矩管42支承致动器组件14和定子制动盘38。轴18可安装在起落架(未示出)的撑条或车辆的其他合适的部件上，以将车轮和制动器组件10连接到车辆。
在车辆运行期间，可能需要不时地进行制动，诸如在飞机的着陆和滑行过程期间。车轮和制动器组件10构造成经由致动器组件14和制动器堆叠58向车辆提供制动功能。致动器组件14包括致动器壳体30和柱塞34。致动器组件14可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多个。在操作期间，柱塞34可远离致动器壳体30延伸，以抵抗压缩点48轴向压缩制动器堆叠58以进行制动。
制动器堆叠58包括交替的转子制动盘36和定子制动盘38。转子制动盘36安装在轮毂20上，以便通过梁键40进行共同旋转。定子制动盘38通过齿条44安装到扭矩管42上。在图1的示例中，制动器堆叠58包括四个转子和五个定子。然而，在其他示例中，可在制动器堆叠58中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的摩擦表面。随着移动的飞行器的动能在制动器堆叠58中转换成热能，制动器堆叠58中的温度可能快速增加。照此，形成制动器堆叠58的转子制动盘36和定子制动盘38可包括能够在非常高的温度下操作的坚固的热稳定材料。
在一个示例中，转子制动盘36和/或定子制动盘38形成呈环的形式的C-C复合材料，其限定一组相对的磨损表面。C-C复合材料可使用任何合适的制造技术或技术组合来制造，包括例如使用真空压力渗透(VPI)、树脂转移模塑(RTM)、化学气相渗透(CVI)、化学气相沉积(CVD)、添加剂制造等渗透本文描述的纤维预制件作为具有碳基质材料的起始基底。
如简要提到的，在一些示例中，转子制动盘36和定子制动盘38可分别通过梁键40和齿条44安装在车轮和制动器组件10中。在一些示例中，梁键40可围绕轮毂20的内部部分周向地间隔开。例如，梁键40可成形为具有相对的端部(例如，矩形的相对侧)，并且可具有机械地固定到轮毂20的内部部分的一个端部和机械地固定到轮毂20的外部部分的相对端部。梁键40可与轮毂20一体形成，或者可与轮毂20分离并机械固定到轮毂20，例如，以在转子制动盘36与轮毂20之间提供热障。为此，在不同的示例中，车轮和制动器组件10可包括隔热罩(未示出)，其径向向外延伸并围绕制动器堆叠58，例如，以在限制制动器堆叠58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的外部部分周向地间隔开。照此，定子制动盘38可包括沿制动盘的内径的多个径向向内设置的凸耳槽，该凸耳槽构造成与齿条44接合。类似地，转子制动盘36可包括沿制动盘的外径的多个径向向内设置的凸耳槽，该凸耳槽构造成与梁键40接合。照此转子制动盘36将随着车轮的运动而旋转，而定子制动盘38保持静止，允许相邻的定子制动盘38和转子制动盘36的摩擦表面彼此接合，从而使车轮12的旋转减速。
图2是可用于制造致密化的C-C复合材料(诸如转子制动盘36和定子制动盘38)的示例纤维预制件50示意性透视图。纤维预制件50包括多个纤维层52，其包括第一外部层52A、第二外部层52B和至少一个内部层52C。每个纤维层52可包括一个或多个织物段56，其由碳纤维或碳-前体纤维制成，呈网状纤维和丝束纤维两者的形式。多个层52可在中心轴54的方向上叠置(例如，彼此堆叠)以形成堆叠58。
纤维预制件50还包括多个针刺纤维60，其至少部分地延伸穿过两个或更多个纤维层52。在一些示例中，针刺纤维60可通过堆叠58(例如，大致平行于中心轴54)基本上竖直地(例如，在z轴方向上竖直或几乎竖直地)延伸。虽然附图示出了针刺纤维60通常平行于中心轴54，但是在一些示例中，至少一些针刺纤维60可不平行于中心轴54并且可取堆叠58中的其他取向，包括例如波浪形、成角度的、弯曲的等。
如下面进一步讨论的，在针刺工艺期间引入针刺纤维60。在一些示例中，针刺纤维60可由多个纤维层52提供。例如，针刺工艺可将存在于相应的纤维层52内的网状纤维驱动到相邻的纤维层52中，以机械地缠结并将纤维层52粘合在一起。另外地或另选地，由于纤维层52叠置并针刺在一起，相应的纤维层52内的至少一些所述丝束纤维可在纤维预制件50内转变成针刺纤维60。例如，针刺工艺可断裂包含在相应的纤维层52中的一些丝束纤维并且至少部分地将断裂纤维转移到纤维预制件50内的一个或多个相邻的纤维层52中以形成针刺纤维60。
在一些示例中，纤维预制件50可以呈限定外部预制件直径(OD)的环或盘的形状。纤维预制件50还可包括中心孔62，其沿中心轴54延伸穿过堆叠58。中心孔62可限定纤维预制件50的内部预制件直径(ID)。在一些示例中，纤维预制件50的外部预制件直径(OD)可为约14.5英寸(例如，约37cm)至约25英寸(例如，约64cm)。纤维预制件50的内部预制件直径(ID)可为约4.5英寸(例如，约12cm)至约15英寸(例如，约38cm)。在其他示例中，纤维预制件50可以是部分盘状(例如，新月形)或包括不同的几何形状。
如下面进一步描述的，纤维预制件50内的每个纤维层52可包括丝束纤维和网状纤维的组合。丝束纤维和网状纤维两者均可包括碳纤维、构造成随后热解成碳纤维的纤维(下文中称为“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。丝束纤维(有时也称为弦纤维)可代表相对长或基本上连续的纤维，它们从相应的丝束捆扎在一起。在一些示例中，每个相应的丝束可包括数百至数千个单纤维，这些单纤维已经单向对齐并捆扎在一起以形成丝束。每个纤维层52可包括多个丝束，每个丝束包括多个丝束纤维。在一些示例中，丝束可在相应的织物段内单向对齐，该织物段可用于形成相应的纤维层52的全部或一部分，使得织物段内的丝束纤维全部基本上对齐(例如，对齐或几乎对齐)。网状纤维可包括短切的、不连续的或主要的碳纤维或具有未指定对齐的碳-前体纤维，其与丝束纤维相比相对短。在一些示例中，网状纤维可相对于彼此和相对于丝束纤维限定基本上随机的纤维取向。
在一些示例中，在结合到纤维预制件50的相应的纤维层52之前，丝束纤维和网状纤维可结合在一起以形成单层材料，称为双面织物的双层。图3是可用于形成相应的纤维层52的至少一部分的示例双面织物80的示意图。双面织物80包括多个单向对齐的丝束纤维82，其示出为沿图3的x轴方向对齐，其已经与网状纤维(未示出)组合。
在一些示例中，双面织物80的形成可通过将一层或多层对齐的丝束纤维82与一层或多层网状纤维组合来实现，网状纤维随后被针刺入丝束纤维层82中以形成双面织物80。例如，可通过交叉梳理网状物以实现所需面积重量并且然后针刺该层以形成网状层来形成一层网状纤维。另外地或另选地，网状层可通过将网状纤维在对齐的丝束纤维82的层的顶部上气流成网而形成。对齐的丝束纤维层82可通过使用线轴架散布大的连续丝束以形成所需面积重量的片材而形成，其中丝束纤维82在相同的方向上单向对齐。网状层和丝束纤维层82两者可被针刺在一起以迫使相对短的网状纤维与丝束纤维82缠结在一起以形成双面织物80。缠结的网状纤维可帮助将丝束纤维82机械地粘合在一起，从而允许双面织物80被有效地处理，而织物层内的丝束纤维82在随后的加工中不会分离或分开。与仅丝束纤维层82或仅网状纤维层相比，所得双面织物80可更耐用，更好地保持其形状，并且总体上更容易进一步制造。其他技术也可用于形成双面织物80，其包括丝束纤维82和网状纤维两者，这些纤维可以是本领域技术人员已知的。
在一些示例中，除了将相应的双面织物80保持在一起之外，用于制备双面织物80的网状纤维最终可用于形成或贡献纤维预制件50中的一部分针刺纤维60，这是由于纤维层52叠置并针刺在一起。网状纤维和丝束纤维82两者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、或者可由碳纤维和/或碳纤维前体材料的不同组合形成。
在一些示例中，每个纤维层52可使用一个或多个织物段56形成，每个织物段56从相应的双面织物80切割。在每个纤维层52由单个织物段56形成的示例中，相应的织物段56可从呈环的形状的双面织物80切割并且假设在其他纤维层52上。
在一些示例中，每个纤维层(例如，纤维层52B)可包括多个织物段56，其共同构成相应的纤维层52B。例如，纤维预制件50可通过围绕中心轴54以连续螺旋的形式顺序地添加邻接的织物段56而形成。在此类示例中，每个纤维层52可围绕中心轴54的数量或转数限定螺旋的一部分。在一些示例中，每个纤维层52可限定螺旋的约0.9至约1.2转(例如，约325°至约420°)。在相应的纤维层52限定螺旋的多于一个整转的示例中，相应的纤维层52的一部分可与其自身重叠。尽管有重叠，但是相应的纤维层52仍然可表征为纤维预制件50内的单个纤维层52。
在每个纤维层52包括多个织物段56的示例中，每个织物段56可限定弧形形状，其特征在于其弧角
Figure BDA0002147297380000081
和其纤维取向角(α)，其在图3中示出。纤维取向角(α)表示在相应的织物段56的段平分线84(例如，表示织物段56的弧形形状的中心或平分线的线)与丝束纤维82对齐的方向之间的角度。纤维取向角(α)可设定为约0°(例如，径向对齐的纤维)、90°(例如，如图3所示的切向对齐的纤维)、或一些中间角。
弧角
Figure BDA0002147297380000082
表示在相应的织物段56的邻接边缘86之间的角度，并且表示相应的织物段56将在相应的纤维层52内占据的旋转度。例如，等于45°的弧角
Figure BDA0002147297380000083
表示围绕中心轴54的整转的1/8。在一些示例中，本文所述的织物段56可限定弧角
Figure BDA0002147297380000084
使得形成纤维预制件50的单个纤维层52A的织物段56完成一整转。例如，如果总共六个弧形织物段56用于限定一个完整的纤维层52A，则每个织物段56可限定60°的弧角
Figure BDA0002147297380000085
使得六个织物段56在与和相邻的织物段56的邻接边缘接触的邻接边缘86对齐时(例如，限定弧角
Figure BDA0002147297380000086
的边缘)将完成一整转，每个织物段占据相应的纤维层56A的1/6。
在一些示例中，本文描述的织物段56可限定在相应的纤维层52A内加起来不达360°(即，加起来不达一个完整的转)的弧角
Figure BDA0002147297380000087
例如，织物段56的尺寸可设定成使得相应的纤维层52A内的多个织物段56在层内完成多于或小于一个完整的旋转。在一些示例中，每个织物段56可限定约65°至约70°(例如，约68°)的弧角
Figure BDA0002147297380000088
然而，如果需要，可使用其他弧角
Figure BDA0002147297380000089
在相应的织物段56各自限定约65°至约70°的弧角
Figure BDA00021472973800000813
的一些示例中，相应的纤维层52A可在螺旋布置内完成约1.08至约1.17转，其中一小部分层与本身重叠。将弧角
Figure BDA00021472973800000810
设定在约65°至约70°(例如，约68°)可有助于最小化在最终构造的纤维预制件50内的相邻的纤维层52之间的邻接边缘86的对接接头重叠。另外地或另选地，对于织物段56，将弧角
Figure BDA00021472973800000811
设定在约65°至约70°(例如，约68°)可有助于在纤维预制件50内产生与较大弧角相比
Figure BDA00021472973800000812
更均匀的丝束纤维82的对齐。
虽然本文所述的一些附图显示了在相应的纤维预制件中使用的相对少量的层，但是由于本文描述的技术而制备的预制件(例如，纤维预制件50)可包括任何合适的数量的纤维层52(例如，30层或更多层)以制备所得预制件的所需厚度(T)。
在C-C复合材料盘式制动器领域中，盘式制动器(例如，转子盘式制动器36和定子盘式制动器38)的重要性能特征可包括例如盘式制动器将在摩擦表面处产生的热量转移远离此类表面的能力，盘式制动器的热容量(例如，盘式制动器吸收热量或适应制动期间的升高的温度的能力)，盘式制动器的压缩、弯曲和剪切强度等。在一些示例中，可通过改变纤维预制件50的下面的纤维结构来增加所得C-C复合材料盘式制动器的选择性能。例如，为了改善沿中心轴54的热转移，可增加纤维预制件50内的针刺纤维60或“z轴”纤维的数量。为了改善盘式制动器的一般热容量，可增加渗透在纤维预制件50内的碳基质材料(例如，致密化的碳材料)的量。碳基质材料(例如，经由CVI/CVD沉积的碳)比碳纤维的碳材料更致密，并且因此与碳纤维相比具有更好的吸收断裂期间产生的热量的能力。
在一些示例中，改善C-C复合材料盘式制动器的此类期望性能所需纤维结构通常彼此冲突。例如，为了改善沿中心轴54的热转移，可对纤维预制件60进行更多的针刺，以增加引入预制件中的针刺纤维60或z轴纤维的数量。然而，在纤维预制件60上进行的针刺的量或持续时间可压缩相应的纤维层52，从而在纤维之间留下较少的空间以包含碳基质材料，从而减少可添加到纤维预制件50中的碳基质材料的量并减少所得C-C复合材料的热容性能。
在一些示例中，纤维预制件50的纤维层52可单独定制，以改善最终C-C复合材料的一种或多种性能特性。在一些示例中，由于下面进一步描述的原因，纤维层52可通过调节相应的纤维层52内的网状纤维与丝束纤维束82的比率、相应的纤维层52的厚度、相应的纤维层52的面积重量、或它们的组合来单独定制以根据堆叠58内相应的纤维层52的位置改变各个纤维层52的性能特性。
在一些示例中，纤维层52可通过将纤维层52内的网状纤维与丝束纤维82的比率增加成与内部层(例如，内部层52C)相比更接近纤维预制件52的外部(例如，外部层52A和52B)来定制。增加相应的纤维层52内的网状纤维的比率增加了可转化成针刺纤维60或以其他方式布置成纤维预制件50内的z轴纤维的可用纤维的数量。在一些示例中，在外部层52A和52B附近具有较高比率的网状纤维可用于增加沿所得C-C复合材料盘式制动器的摩擦表面存在的针刺纤维60或z轴纤维的数量，以帮助将热量远离所得C-C复合材料盘式制动器的摩擦表面转移到盘式制动器的内部区域(例如，朝向内部层52C)中。另外地或另选地，增加沿纤维预制件50的摩擦表面存在的针刺纤维60或z轴纤维的数量可增加外部层52A和52B的剪切强度，其中此类剪切力在制动过程期间将是最高的。
此外，通过在内部层52C中存在较低比率的网状纤维可减少内部层52C内的压缩程度，该压缩程度通过针刺工艺和针刺纤维60或z轴纤维的引入而发生。内部层52C内的相对减少的压缩可允许更多孔结构并允许碳基质材料的更大积聚，其在随后的致密化循环期间添加。增加的碳基质材料的存在可反过来增加所得C-C复合材料盘式制动器的总热容量。
另外地或另选地，增加内部层52C内存在的丝束纤维48的比率可允许C-C复合材料内朝向内径或外径的更好的径向热转移，其中吸收的热量可消散到车轮和制动器组件10的周围部件中。存在于相应的层52内的丝束纤维48还可赋予所得C-C复合材料更好的弯曲强度或抗弯性(例如，与x-y平面弯曲)，在内部层52C中可比外部层52A和52B更为关键。
在一些示例中，每个纤维层52可限定网状纤维与丝束纤维82的比率为约1:100至约1:1。在一些示例中，内部层52C中的一个或多个可将网状纤维与丝束纤维82的比率限定为约1:100至约1:2(例如，约1:100至约1:5)，并且外部层52A和52B可将网状纤维与丝束纤维82的比率限定为约1:5至约1:1(例如，1:4至约1:1)。
另外地或另选地，可通过减少纤维预制件50的外部层52A和52B内与中心层或内部层52C相比的相对厚度(例如，中心轴54的方向上的厚度)来定制纤维层52。减少相应的纤维层52内的厚度可增加在相应的纤维层52内发生的整体针刺的量。例如，在传统的针刺工艺中，针刺板或织机可包括多个针，这些针包括在针刺过程期间与网状纤维接合并将这些纤维驱动到相邻的纤维层52中的倒钩。可在每次施加新纤维层52或纤维层52的设定数量或数量分数的情况下进行针刺工艺。在一些示例中，针刺板或织机可限定在整个针刺过程期间保持相对恒定的穿透深度。在此类示例中，针刺板或织机所穿透的层的总数可取决于相应的纤维层52的相对厚度。如果相应的纤维层或层集合限定相对低的厚度，则限定总厚度(T)所需的总层数将相对高并且可能需要发生另外的针刺以将这些层粘合在一起。另外，由于针的穿透深度将在给定的针行程内穿过更多的纤维层52，因此在相应的纤维层52内将发生更多的针刺。相反，如果纤维层相对厚，则发生的整体针刺量可能较少，并且每个针行程穿透的层数将减少。相应的纤维层52内针刺发生的相对增加或减少可分别对应于存在于相应的层内的针状纤维60或z轴纤维的增加或减少。
在一些示例中，通过形成纤维预制件50以包括朝向预制件的中心的相对厚的纤维层52(例如，内部层52C)和朝向预制件的外部的相对薄的纤维层52(例如，外部纤维层52A和52B和/或靠近外部纤维层52A和52B的内部层)，在较薄的外部层内可能比在较厚的内部层内发生更多的针刺，从而增加在纤维预制件50的外部纤维层52内产生的针刺纤维60或z轴纤维的比较数量。在纤维预制件50的外部层(例如，外部层52A和52B)内增加针刺纤维60或z轴纤维的存在可将上述一种或多种性能特性赋予所得C-C复合材料。
在一些示例中，每个纤维层52可具有预针刺或织物厚度(例如，在作为纤维预制件50的层被针刺之前)，其如在与中心轴54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4毫米。在一些示例中，内部层52C中的一个或多个可限定约0.5mm至约2mm(例如，约1mm至约2mm)的预针刺或织物厚度，并且外部层52A和52B可限定约1mm至约4mm(例如，约2mm至约4mm)的预针刺的或织物厚度。纤维预制件50在完成时的总厚度(T)可以是约1英寸至约3英寸(例如，约2.5厘米(cm)至约7.6cm)，其可在随后的碳化/热解过程中进一步减少。
另外地或另选地，纤维层52可通过与中心层或内部层52C相比减少纤维预制件50的外部层52A和52B内的纤维(例如，丝束纤维82和网状纤维)的面积重量(例如，每单位面积的纤维重量)来定制。使用高面积重量织物段56增加纤维层52的面积重量可能需要较少的针刺来连接相应的纤维层52。与纤维预制件50的中心附近的纤维层52(例如，内部层52C)相比，通过将纤维层52的面积重量朝向纤维预制件50的外部(例如，外部纤维层52A和52B和/或更靠近外部纤维层52A和52B的内部层)减少，在外部附近的下部面积重量纤维层52内可能发生更多针刺，从而增加在相应的纤维层52内产生的针刺纤维60或z轴纤维的比较数量和/或减少在内部层52C内发生的压缩。在纤维预制件50的外部层(例如，外部层52A和52B)内增加针刺纤维60或z轴纤维的存在可将上述一种或多种性能特性赋予所得C-C复合材料。
在一些示例中，用于织物段56和纤维层52的双面织物80可具有约1250克/平方米至约3000克/平方米(g/m2)的面积重量。在一些示例中，内部层52C中的一个或多个可由织物段形成，该织物段限定约1500g/m2至约3000g/m2的面积重量，并且外部层52A和52B可由限定约1000g/m2至约2000g/m2(例如，约1250g/m2至约2000g/m2)的面积重量的织物段形成。
一旦纤维预制件50已完全成形为所需厚度(T)，预制件可经受一个或多个热解和致密化循环。例如，纤维预制件50可最初热解(例如碳化)以将任何碳-前体材料转化成碳。在热解之后，网状纤维和丝束纤维82即使不是碳纤维也成为碳纤维。然后可使纤维预制件50经受一个或多个致密化循环，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)，随后进行热解或加热处理循环以用碳基质材料渗透纤维预制件50以制备C-C复合材料。
图4是呈盘式制动器(例如，定子盘式制动器38)形状的示例C-C复合材料90的透视图。C-C复合材料90可包括纤维预制件50，后热解(如果需要)以基本上将网状纤维和丝束纤维82转化为碳纤维，然后进行致密化和任何任选的热处理以将碳基质材料结合到纤维预制件50内的孔中。C-C复合材料90可包括多个纤维层(例如，纤维层52)，其具有与上述纤维预制件50类似的纤维结构。在一些示例中，C-C复合材料90的外部纤维层92(例如，第一外部层52A或第二外部层52B)的z轴纤维(例如，针刺纤维60)的数量可大于C-C复合材料90的中心层(例如，内部层52C)中的z轴纤维的数量。另外地或另选地，C-C复合材料90的外部纤维层92中的碳基质材料的量可小于中心层中的碳基质材料的量。
本文所述的纤维预制件和C-C复合材料可使用任何合适的技术形成。
图5是说明制造纤维预制件50和C-C复合材料90的示例技术的流程图。为了便于说明，图5的示例方法主要针对图2的纤维预制件50进行描述；然而，可使用所述技术形成其他纤维预制件，并且可使用其他技术制造纤维预制件50或C-C复合材料90。
图5的示例技术包括将多个纤维层52叠置并针刺在一起以形成纤维预制件50(100)；热解纤维预制件50(102)；以及使所得预制件50致密化以形成C-C复合材料90(104)。
如上所述，每个纤维层52可包括相应的多个网状纤维和丝束纤维82，其限定相应的网状纤维与丝束纤维比率、面积重量和相应的纤维层52的预针刺厚度。在一些示例中，每个纤维层52可使用相应的多个双面织物段56构造。例如，双面织物段56可以螺旋布置方式对齐和堆叠。在此类示例中，每个纤维层52可完成螺旋的约0.9至约1.2转，其中纤维层52相对于中心轴54彼此叠置(例如，堆叠)以形成堆叠58。每个织物段56可各自限定如上所述的弧角(α)纤维取向角
Figure BDA0002147297380000131
并且可选择或修改以获得所需网状纤维与丝束纤维的比率、面积重量和/或对于相应的纤维层52的预针刺/织物厚度。
每个织物段56可在添加到纤维预制件50中之后进行针刺。在一些示例中，相应的织物段56可基于逐层针刺到预制件50中。另外地或另选地，可将多于一个纤维层52添加到预制件50中，并且然后可同时针刺共同叠置的层52以将这些层结合到纤维预制件50中。然后可继续整个过程，直到获得所需预制件厚度(T)。
一旦形成纤维预制件50，就可将纤维预制件50热解(102)以通过热降解过程将任何碳-前体材料转化成碳，以有效地烧掉任何非碳材料。例如，纤维预制件50可通过在惰性或还原条件下在蒸馏器中加热纤维预制件50来碳化，以从纤维中除去非碳成分(氢、氮、氧等)。碳化可使用蒸馏器进行，诸如高压釜、炉、热等静压机、单轴热压机等。在这些技术的每一种中，纤维预制件50可在惰性气氛中在约600℃至约1000℃的范围内的温度下加热，同时任选地进行机械压缩。机械压缩可用于限定纤维预制件50的几何形状(例如，厚度(T))。在一些示例中，可用氮气轻轻吹扫蒸馏器约1小时，然后在约10小时至20小时的过程中缓慢加热至约900℃，然后在约1小时至2小时内将温度升高至约1050℃。然后可将蒸馏器在约1050℃下保持约3小时至6小时，然后使碳化的预制件冷却过夜。在一些示例中，碳化步骤可在甚至更高的温度下进行，包括高达约1800℃。
在碳化之后，纤维预制件50可经受一个或多个致密化循环以形成C-C复合材料90(104)。示例致密化循环可包括例如通过施加碳质气体的CVI/CVD的一个或多个循环而致密化。在CVI/CVD处理期间可使用任何合适的碳质气体，包括例如基于碳的气体，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，经由CVI/CVD将碳质气体施加以使纤维预制件50致密化可以基本上在真空空间(例如，具有小于100托的内部环境的容器)或在惰性气体环境下发生，以便控制化学沉积反应以制备碳基质材料。在一些示例中，在施加CVI/CVD气体期间，可将包括纤维预制件50的环境加热至升高的温度，例如约900℃至约1200℃，以促进化学沉积反应。
在其他示例中，纤维预制件50可使用其他合适的技术致密化(104)，包括例如经由树脂转移模具(RTM)处理、真空压力渗透(VPI)处理、高压渗透(HPI)等的树脂渗透和碳化。在一些示例中，致密化步骤(104)可制备致密化的C-C复合材料90，其具有约1.65g/cc至约1.95g/cc的最终密度。
在一些示例中，在纤维预制件50致密化期间或之后，所得C-C复合材料的主要摩擦表面可雕刻成所需形状，诸如最终制动盘形状。例如，C-C复合材料90可以具有最终厚度T(例如，约1.4英寸)的致密化的C-C复合材料盘式制动器的形状研磨。另外地或另选地，此时可沿内径或外径形成凸耳槽94。
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-碳复合材料的预制件，所述预制件包括：
多个纤维层，所述多个纤维层叠置并针刺在一起，所述多个纤维层中的每个纤维层包括：
网状纤维，其中所述网状纤维包括碳纤维或碳-前体纤维中的至少一种；和
丝束纤维，其中所述丝束纤维包括碳纤维或碳-前体纤维中的至少一种；
其中所述多个纤维层包括：
第一纤维层；
第二纤维层；和
第三纤维层，所述第三纤维层定位在所述第一纤维层与所述第二纤维层之间，其中所述第三纤维层包括以下中的至少一者：
小于所述第一纤维层的网状纤维与丝束纤维的比率的网状纤维与丝束纤维的比率；
大于所述第一纤维层的面积重量的面积重量；或者
大于所述第一纤维层的预针刺厚度的预针刺厚度。
2.根据权利要求1所述的预制件，其中所述第三纤维层包括以下中的至少一者：
小于所述第二纤维层的网状纤维与丝束纤维的比率的网状纤维与丝束纤维的比率；
大于所述第二纤维层的面积重量的面积重量；或者
大于所述第二纤维层的预针刺厚度的预针刺厚度。
3.根据权利要求2所述的预制件，其中所述第一纤维层和所述第二纤维层各自包括基本上相同的网状纤维与丝束纤维的比率、基本上相同的面积重量；和基本上相同的预针刺厚度。
4.根据权利要求1所述的预制件，其中所述多个纤维层中的每个纤维层包括相应的多个双面织物段，其中每个双面织物段包括相应的多个所述网状纤维和相应的多个所述丝束纤维。
5.根据权利要求1所述的预制件，其中所述第三纤维层中的所述网状纤维与丝束纤维的比率为约1:100至约1:2，并且所述第一纤维层中的所述网状纤维与丝束纤维的比率为约1:5至约1:1。
6.根据权利要求1所述的预制件，其中所述第三纤维层的所述预针刺厚度为约0.5mm至约2mm，并且所述第一纤维层的所述预针刺厚度为约1mm至约4mm。
7.根据权利要求1所述的预制件，其中所述第三纤维层的所述面积重量为约1500g/m2至约3000g/m2，并且所述第一纤维层的所述面积重量为约1000g/m2至约2000g/m2。
8.一种制备用于碳-碳复合材料的预制件的方法，所述方法包括将多个纤维层叠置并针刺在一起以形成碳-碳复合材料的预制件，其中所述多个纤维层中的每个纤维层包括：
网状纤维，其中所述网状纤维包括碳纤维或碳-前体纤维中的至少一种；和
丝束纤维，其中所述丝束纤维包括碳纤维或碳-前体纤维中的至少一种；
其中所述多个纤维层包括：
第一纤维层；
第二纤维层；和
第三纤维层，所述第三纤维层定位在所述第一纤维层与所述第二纤维层之间，其中所述第三纤维层包括以下中的至少一者：
小于所述第一纤维层的网状纤维与丝束纤维的比率的网状纤维与丝束纤维的比率；
大于所述第一纤维层的面积重量的面积重量；或者
大于所述第一纤维层的预针刺厚度的预针刺厚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述多个纤维层中的每个纤维层包括相应的多个双面织物段，其中每个双面织物段包括相应的多个所述网状纤维和相应的多个所述丝束纤维，并且其中将所述多个纤维层针刺在一起包括叠置多个双面织物段以形成螺旋，其中所述多个纤维层中的每个纤维层完成所述螺旋的约0.9至约1.2转。
10.一种碳-碳复合材料，所述碳-碳复合材料包括：
碳基质材料；和
多个纤维层，所述多个纤维层叠置并针刺在一起，所述多个纤维层中的每个纤维层包括：
网状纤维，其中所述网状纤维包括碳纤维；和
丝束纤维，其中所述丝束纤维包括碳纤维；
其中所述多个纤维层包括：
第一纤维层；
第二纤维层；和
第三纤维层，所述第三纤维层定位在所述第一纤维层与所述第二纤维层之间，其中所述第三纤维层包括以下中的至少一者：
小于所述第一纤维层的网状纤维与丝束纤维的比率的网状纤维与丝束纤维的比率；
大于所述第一纤维层的面积重量的面积重量；或者
大于所述第一纤维层的预针刺厚度的预针刺厚度。
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