CN111886130A - 制作纤维预制件的方法以及由此获得的纤维预制件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制作的碳纤维和/或碳前驱体纤维的纤维预制件的方法，包括：‑步骤a)根据预定义的叠置轴线Z来叠置至少两个碳纤维层和/或碳前驱体纤维层，以便形成多层本体2；‑步骤b)借助于至少一个第一针刺装置10在与叠置轴线Z基本上平行的针刺方向上针刺多层本体2，以将至少部分的纤维布置成平行于叠置轴线Z，以便获得经针刺的多层本体3，‑可选的步骤c)将通过应用以上步骤a)和b)分别获得的两个或更多个经针刺的多层本体3根据叠置轴线Z彼此叠置。纤维预制件1由单个多层式经针刺本体3构成或由沿叠置轴线Z彼此叠置的两个或更多个经针刺多层本体3构成。在叠置步骤a)中，通过将一个或更多个非织造形式的纤维层NW叠置在一个或更多个织造形式的纤维层W上来制作多层本体2。在针刺步骤b)中，多层本体2的与第一针刺装置10的针11相遇的第一部分由至少一个非织造层NW构成，以便防止针11直接地接合在下面的织造层W的纤维，并且使得待被布置成与叠置轴线Z平行的纤维20属于以上由至少一个非织造形式的纤维层NW构成的第一部分。

Description

制作纤维预制件的方法以及由此获得的纤维预制件
技术领域
本发明涉及一种用于制作纤维预制件的方法以及由此获得的纤维预制件。
根据本发明的纤维预制件可以用作C/C(碳/碳)制动系统部件的增强元件，特别是用作汽车的盘式制动器或航空制动器的转子/定子的增强元件。在这种情况下，意在通过使用树脂或沥青的浸渍或者通过气相沉积进行致密化以获得碳/碳结构。
背景技术
众所周知，在航空领域和赛车领域中，制动系统是使用碳/碳(C/C)部件制成的，特别是转子/定子和盘式制动器是使用碳/碳(C/C)部件制成的。
碳/碳部件由在其中布置有碳增强纤维的碳基质构成。
通常，碳纤维或碳前驱体纤维被(单独地或使用粘合剂例如树脂)聚合以形成被称为“预制件”的三维结构。最常用的碳前驱体是PAN(PAN：聚丙烯腈)、沥青和人造丝。
碳基质可以以各种方式获得，基本上可归为两类：通过纤维结构的树脂和/或沥青的浸渍、或者通过气体(CVD，“化学气相沉积”)。
在生产过程的具体步骤中可以设置存在被添加的添加剂，以便改进中间生产性或最终产品特征，诸如摩擦系数和/或磨损抵抗性。
用于生产碳纤维预制件的已知方法包括：
-使用树脂来浸渍和/或模制短纤维(劈切)；
-使用树脂来浸渍和/或模制织造毡或非织造毡；
-针刺可能富含连续纤维的非织造毡；
-针刺短纤维(劈切)；
-针刺碳或碳前驱体织物；以及
-缝纫织物。
众所周知，从碳纤维预制件开始获得的成品制动盘的一些关键特征在很大程度上取决于预制件的制作方式。
特别地，特征诸如沿着盘的旋转轴线Z(正交于盘平面)的抗压强度/刚度、相对于盘平面的抗剪强度以及沿着轴线Z的热导率强烈地取决于沿轴线Z被引导的纤维的数量和分布。
基于浸渍/模制的生产方法涉及沿轴线Z几乎完全不存在纤维的情况，使得以上描述的特征的价值非常有限。通常，这些生产方法由于它们的低成本和生产简单性而被采用，但是最终的技术和质量结果显然地差。
替代性生产方法诸如涉及在轴线Z上存在有限的纤维的缝纫，此外，上述纤维不是非常均匀地分布的。
相反，方法诸如针刺允许在轴线Z上将纤维有效地且均质地分布。
同时，在盘的平面上的纤维的数量、分布和层的数目强烈地影响最终特征诸如盘平面上的挠曲强度和热导率。
考虑到纤维布置的随机性和其低密度，或者没有足够地长的纤维的存在，非织造织物或劈切纤维的针刺不允许在盘的平面上具有相对于盘使用中经受的应力以最佳方式布置的高数目的纤维。
织物的针刺将被布置在盘平面中的纤维的布置和数量改进，但是涉及对部分纤维自身的被迫的损伤，通常以不可控制的方式降低盘平面中的机械和热特征。
因此，迄今为止，在现有技术中，没有这样一种方法可用于制作碳纤维的预制件，该方法允许将纤维受控地分布在预制件的主平面以及与这样的平面正交的平面这两者上，而不会导致对纤维自身的损伤。
因此，在制动系统的生产的领域中、特别是在纤维增强的CC制动盘的生产的领域中，意识到非常需要具有用于制作碳纤维的预制件的下述方法，该方法允许将纤维受控地分布在预制件的主平面以及与这样的平面正交的平面这两者上，而不会导致对纤维自身的损伤。
发明内容
通过根据权利要求1的用于制作纤维预制件的方法满足这种需要。
特别地，通过在碳纤维和/或碳前驱体纤维中制作纤维预制件的方法满足这种需要，该方法包括：
-步骤a)根据预定义的叠置轴线来叠置至少两个碳纤维层和/或碳前驱体纤维层，以便形成多层本体；
-步骤b)借助于至少一个第一针刺装置在与叠置轴线基本上平行的针刺方向上针刺多层本体，以将至少部分的纤维布置成平行于叠置轴线，以便获得经针刺的多层本体，
-可选的步骤c)将通过应用以上步骤a)和b)分别地获得的两个或更多个经针刺的多层本体根据叠置轴线彼此叠置。
纤维预制件1由单个多层式经针刺的本体或者沿叠置轴线互相叠置的经针刺的两个或更多个多层本体构成。
在叠置步骤a)中，通过将一个或更多个非织造形式的纤维层叠置在一个或更多个织造形式的纤维层上来制作多层本体。
在针刺步骤b)中，多层本体的与第一针刺装置的针相遇的第一部分由至少一个非织造层构成，以便防止针直接地接合在下面的织造层的纤维，并且使得待被布置成与叠置轴线平行的纤维属于以上由至少一个非织造形式的纤维层构成的第一部分。
优选地，上述第一针刺装置的针各自设置有适于接合一根或更多根纤维的一个或更多个倒钩。在考虑倒钩的数目和大小、以及纤维直径和构成上述第一部分的所述至少一个非织造纤维层的重量的情况下执行前述针刺步骤b)，使得针通过倒钩接合仅第一部分的纤维。
有利地，根据所期望的纤维预制件在正交于叠置轴线的平面上的纤维的密度和定向，来选择被布置在以上一个或更多个织造层中的纤维的密度和定向。
有利地，根据期望在纤维预制件的内部获得的被布置成与叠置轴线平行的纤维的密度，来选择通过针刺被布置成与针刺方向平行的纤维的数目。
有利地，在以上针刺步骤b)中，根据针倒钩的大小和数目、以及构成多层本体的第一部分的所述至少一个非织造纤维层的重量和纤维的直径，对调整针刺密度(针迹密度)进行调整来控制每表面单元中待被布置成与上述叠置轴线平行的纤维的平均数目。
有利地，通过根据预制件中的空间位置使针刺密度差异化来执行针刺步骤b)，以便使每表面单元中被布置成与以上叠置轴线平行的纤维的平均数目根据预制件中的空间位置来而差异化。
优选地，在以上叠置步骤a)中，通过将单个非织造形式的纤维层叠置在单个织造形式的纤维层上来制作多层本体。
在以上叠置步骤a)中，可以通过将两个或更多个非织造形式的纤维层叠置在一个或更多个织造形式的纤维层上来制作多层本体。
在叠置步骤a)中，可以通过将一个或更多个非织造形式的纤维层叠置在两个或更多个织造形式的纤维层上来制作多层本体。
优选地，非织造层NW具有的重量小于织造层的重量。
特别地，非织造层各自具有的重量范围为50至500g/m2。织造层各自具有的重量在100至1000g/m2之间。
优选地，织造层中的每一织造层具有与该层的表面延伸平面平行的织造延伸。特别地，织造层可以具有斜纹组织或平纹组织。
根据本发明的优选实施方式，纤维预制件包括至少两个织造形式的纤维层。这样的两个织造层是同一经针刺的多层本体的一部分或者两个不同的经针刺的多层本体的一部分。前述的至少两个织造层被布置成相对于彼此为下述情况：纤维的纬线相对于另一织造层的纬线绕叠置轴线旋转预定义的角度。
优选地，非织造层的至少一部分或全部非织造层由短纤维构成。
非织造层的至少一部分或全部非织造层可以由通过连续长丝所限定的纤维构成。
纤维层可以由具有相同特征的纤维制成或者由不同纤维的混合物制成。
有利地，根据本发明的方法可以包括通过切割前述纤维层来执行的、使纤维预制件成型的步骤d)。
有利地，根据本发明的方法在所述层的纤维至少部分地为碳前驱体纤维的情况下，可以包括碳化的步骤e)。
有利地，根据本发明的方法可以包括石墨化的步骤f)。
根据优选实施方式，纤维预制件具有柱状形状，所述柱状形状具有的轴线与纤维层的叠置轴线平行。
特别地，纤维预制件可以具有的厚度在10至80mm之间。
特别地，纤维预制件可以根据正交于叠置轴线的平面具有圆形截面，并且具有在200至600mm之间的直径。
特别地，纤维预制件具有的密度(表观几何)在0.4至0.7g/cm3之间。
上述需求通过碳纤维和/或碳前驱体纤维的纤维预制件来满足，该纤维预制件包括根据叠置轴线彼此叠置的至少两个碳纤维层和/或碳前驱体纤维层。通过针刺将前述至少两个纤维层连结在一起。
前述两个纤维层的第一层是非织造形式的纤维层，并且前述两个纤维层的第二层是织造形式的纤维层。在上述第二层中存在多根纤维，上述多根纤维被布置成与上述叠置轴线平行、与制造纤维形成三维结构，并且上述多根纤维来自上述第一层、已经通过针刺c这样的第二层中。
有利地，以上第二织造层具有与该层自身的表面延伸平面平行并且基本上正交于叠置轴线的织造延伸。
本发明的目的还在于通过纤维预制件的致密化来制作纤维增强的C/C制动盘的方法。通过根据本发明的方法来制作这样的纤维预制件。
附图说明
根据本发明的优选的非限制性实施方式的下述描述中，本发明的另外的特征和优点将变得更加清楚，在附图中：
-图1示出根据本发明的方法的优选的实施方式的框图；
-图2示出在纤维预制件由单个经针刺的多层本体形成的情况下根据本发明的方法的操作步骤的示意图，该单个经针刺的多层本体依次由单个非织造层和单个织造层构成；
-图3示出在纤维预制件由单个经针刺的多层本体形成的情况下根据本发明的方法的操作步骤的示意图，该单个经针刺的多层本体依次由单个非织造层和两个织造层构成；
-图4示出在纤维预制件由单个经针刺的多层本体形成的情况下根据本发明的方法的操作步骤的示意图，该单个经针刺的多层本体依次由两个非织造层和单个织造层构成；
-图5和图6示出在纤维预制件分别地由两个叠置的经针刺的多层本体形成以及由n个叠置的经针刺的多层本体形成的情况下根据本发明的方法的操作步骤的示意图；
-图7示出根据相对于图6中所例示的情况的变型的根据本发明的方法的操作步骤的示意图，其中，提供通过轻度针刺来固化各层的中间步骤；
-图8示出用于针刺的针的示例，其中，两个相继的放大图例示了针倒钩；
-图9示意性示出在针刺装置的针与非织造层和一个或更多个织造层相互作用以后纤维的布置；以及
-图10示意性示出两个织造层的组织绕共同的叠置轴线Z的相对旋转。
具体实施方式
参照以上附图，附图标记1总体上表示通过根据本发明的方法获得的纤维预制件。
根据本发明的在碳纤维和/或碳前驱体纤维中制作纤维预制件1的方法包括以下操作步骤：
-步骤a)根据预定义的叠置轴线Z来叠置至少两个碳纤维层和/或碳前驱体纤维层，以便形成多层本体2；
-步骤b)借助于至少一个第一针刺装置10在与叠置轴线Z基本上平行的针刺方向上针刺以上多层本体2，以将至少部分的纤维布置成平行于叠置轴线Z，以便获得经针刺的多层本体3。
表述“平行于叠置轴线Z的布置”是指普遍的定向并且不意味着限于在其中纤维与这种轴线完全地平行的设置。
纤维预制件1可以由单个多层式经针刺的本体3(如图2、图3和图4中示出的)或者沿叠置轴线Z互相叠置的两个或更多个经针刺的多层本体3(如图5、图6和图7中示出的)构成。
在纤维预制件1由两个或更多个经针刺的多层本体3构成的情况下，根据本发明的方法包括可选的步骤c)：将通过应用所述步骤a)和b)分别地获得的两个或更多个上述多层经针刺的本体3根据叠置轴线Z叠置。
根据本发明的第一方面，在前述叠置步骤a)中，通过将一个或更多个非织造形式的纤维层NW叠置在一个或更多个织造形式的纤维层W上来制作多层本体2，如在附图中示意性地例示的。
根据本发明的另外的方面，在以上针刺步骤b)中，多层本体2的与第一针刺装置10的针11相遇的第一部分由至少一个非织造层NW构成，以便防止针11直接地接合在下面的织造层W的纤维，并且使得待被布置成与以上叠置轴线Z平行的纤维20属于由至少一个非织造形式的纤维层NW构成的第一部分。
图9示意性地示出在针刺装置10的针11与非织造层和一个或更多个织造层相互作用以后纤维的布置。更详细地，附图标记20表示来自非织造层NW并且已经通过针刺被移动到在下面的织造层W中的纤维。附图标记21示意性地表示形成织造层的纤维的卧置/组织平面。
有利地，用来按照根据本发明的方法制作纤维预制件1的纤维层W、NW没有被树脂涂覆，以便：
-避免阻碍针刺(在树脂的存在下，第一针刺装置10的针11将趋于变脏并且有频繁设备(plant，装置)堵塞的高风险)；和
-在织造层和非织造层两者中均不限制纤维的“迁移率”。
如下面将描述的，可以在针刺步骤之后对单个经针刺的多层本体3或直接地对纤维预制件1进行树脂涂覆。
由于根据本发明的方法，可以通过控制纤维预制件1中的纤维的三维分布来生产该纤维预制件，而不会遭遇现有技术的限制。
实际上，可以通过适当地选择织造类型来控制纤维在由织造层W限定的平面(彼此平行)上的布置，并且不会因针刺作用改变该布置，因为存在在这种意义上执行抵抗针的作用的屏蔽功能的非织造层NW。可以通过调整针刺过程的操作参数和非织造层NW的特征来控制与由纤维层限定的平面正交的纤维的布置。
假设纤维预制件1的主平面由平行于纤维层的平面限定，由于根据本发明的方法，因此可以以受控的方式将纤维分布成既与穿过织造层W的这样的主平面平行，且又由于针刺作用与该主平面正交，该针刺作用将非织造层NW的至少一部分纤维定向成正交于这样的平面。
前述至少一个针刺装置10的针11各自设置有被称为倒钩、适于接合一个或更多个纤维20的一个或更多个腔12，如图8中示意性地例示的。
更详细地，倒钩12被成型以便当针穿透该层时接合和拉下纤维，但是当针从纤维层上升和离开时不接合和拉动纤维。倒钩的形状被具体地设计以执行此功能。
在针的工作区域中获得倒钩，该工作区域即针的穿透到纤维层中的部分并且该工作区域因此可以作用在纤维上。
在操作上，已经在针的下降步骤中移位的纤维20保持在该纤维被针自身所放置的位置中并且不受针自身的向上移动的影响。从纤维层出来的针离开而不随之拉动纤维。
有利地，对倒钩12的数目和大小、以及纤维直径和构成多层本体2的第一部分的以上至少一个非织造纤维层NW的重量两者进行考虑来执行前述针刺步骤b)，使得针11通过倒钩12接合仅所述第一部分的纤维。
换言之，执行前述针刺步骤b)使得在整个针刺过程中，针穿透纤维层并且倒钩仅填充有属于形成这样的第一部分的一个或更多个非织造层NW[一个或更多个屏蔽层]的纤维。
换言之，进行针刺步骤b)使得在构成多层本体2的第一部分的前述至少一个非织造纤维层NW中可用的纤维的数量不少于(高于或至多等于)由平行于针刺方向的针可转移的纤维的数量。
有利地，根据所期望的纤维预制件1在正交于叠置轴线Z的平面上——即与预制件1的主平面平行并与预制件自身的厚度正交的平面——上的纤维的密度和定向，来选择被布置在所述一个或更多个织造层W中的纤维的密度和定向。
有利地，根据期望在纤维预制件1的内部获得的被布置成与叠置轴线Z平行——即与预制件1的主平面正交并沿预制件自身的厚度对准的——纤维20的密度，来选择通过针刺被布置成与针刺方向平行的纤维的数量。
优选地，在针刺步骤b)中，根据针11的倒钩12的大小和数目、以及构成多层本体2的第一部分的以上至少一个非织造纤维层NW的重量和纤维的直径，对针刺密度(针迹密度)进行调整来控制每表面单元中待被布置成与上述叠置轴线平行的纤维的平均数目。如已经说过的，这样的纤维层NW实际上充当屏蔽并且意在提供待被沿叠置轴线Z布置的纤维。
有利地，通过根据预制件中的空间位置使针刺密度差异化来执行针刺步骤b)，以便每表面单位中被布置成与以上叠置轴线Z平行的纤维20的平均数目根据预制件中的空间位置而差异化。
待被用于生产经针刺的多层本体3的非织造层NW和织造层W的数目的选择取决于与纤维预制件1应具有的最终特征有关的各种因素。
例如，该选择可以取决于纤维预制件1的密度值(表观几何)和/或厚度。
特别地，密度值还与(除了针刺参数之外的)最初使用的纤维层的重量有关。取决于可用的起始材料(织造层和非织造层)的特征(重量)，所选择的重量值可以使用单个织造/非织造层来获得，或者所选择的重量值可以通过叠置两个或更多个非织造层来获得。例如，如果必需使用具有的重量为150g/m2的非织造层并且没有具有该重量的单个非织造层可用，则可以使用一个为100g/m2的和一个为50g/m2的两个叠置的非织造层来实现该结果。
有利地，可以对多层本体3中的非织造层NW和织造层W的数目进行选择，以控制与预制件的主平面平行和/或与预制件的主平面正交的纤维的分布。如下面将示出的，以上特别地应用于织造层W，其特征限定与预制件的主平面平行的纤维的分布。
优选地(如图2、图5、图6和图7中示出的)，在叠置步骤a)中，通过将单个非织造形式的纤维层NW叠置在单个织造形式的纤维层W上来制作多层本体。
换言之，优选地，在叠置步骤a)中，织造层W和非织造层NW以1：1的比率叠置。在操作上，该比率是允许更容易地对针刺过程进行控制并因此对最终结果进行控制的比率，意在对在下面的一个或更多个织造层W内部被布置成与叠置轴线Z平行的纤维的数量方面进行控制。
作为替代方案(如图4中示出的)，在叠置步骤a)中，可以通过将两个或更多个非织造形式的纤维层NW叠置在一个或更多个织造形式的纤维层W上来制作多层本体。
作为替代方案(如图3中示出的)，在叠置步骤a)中，可以通过将一个或更多个非织造形式的纤维层NW叠置在两个或更多个织造形式的纤维层W上来制作多层本体。
换言之，可以期望的是，织造层W和非织造层NW以与优选的1：1比率不同的比率叠置。更详细地，可以采用两者相等的比率例如2：2、3：3等，以及采用不相等的比率例如1：2或2：1、2：3或3：2等。
特别地，根据所使用的单层的厚度来选择形成多层本体的非织造层NW和织造层W的数目，使得该多层本体的总厚度(由单层的总和给定)不超过最大的工作针刺深度。
最大的工作针刺深度由针的长度限定并且特别是由倒钩被制作在其中的部分的长度限定。
优选地，特别是在纤维预制件1被用于制作制动盘的情况下，非织造层NW具有的重量小于织造层W的重量。这是由于制动盘在盘平面上(即在预制件1的主平面上)承受的机械应力大于在盘的厚度(即，与预制件1的叠置方向Z平行)上承受的机械应力这一事实。因此，对于纤维的需求，在预制件1的主平面上的需求比在预制件1的厚度上的需求大。
按照根据本发明的方法的优选实施方式，非织造层NW具有的重量不超过织造层W的重量的一半。
特别地，非织造层NW各自具有的重量范围为50至500g/m2，而织造层W各自具有的重量在100至1000g/m2之间。
有利地，织造层W中的每一织造层具有与该层的表面延伸平面平行的织造延伸。
就织造层来说是指具有有序布置的纤维的材料层，其中，纤维基本上全部被布置在同一平面上。
优选地，织造层W为斜纹组织或平纹组织。存在于纤维预制件1中的织造层可以全部具有相同类型的组织或具有不同类型的组织。
有利地，如图10中示出的，在纤维预制件1作为整体包括至少两个织造层W1、W2的情况下(无论它们是同一多层本体3的一部分还是两个不同多层本体3＇、3”的一部分)，这两个织造层W1、W2可以被布置成相对于彼此为下述情况：纤维的组织相对于另一织造层的组织绕前述叠置轴线Z旋转预定义的角度α。优选地，前述旋转角度等于45°。
由于前述定向，可以使纤维在预制件的主平面上的分布最大化，并且因此使机器制品(特别是制动盘)的最终机械特性最大化，上述机器制品将纤维预制件1作为增强结构结合。
众所周知，如果卧置在与制动盘自身的主平面平行的平面上的若干方向上存在最小数量的长纤维(织造纤维)，则可以保证制动盘的抵抗性。例如，参照盘的旋转轴线(预制件1的叠置轴线Z)，假定它在至少四个主方向上将具有长纤维，至少四个主方向全部都卧置在盘的主平面上并且被标识具有角度值(见图10)：Y2＝0°；Y1＝45°；X2＝90°；X1＝135°。
如果根据现有技术的一些方案仅使用短纤维(例如仅使用非织造材料)，则将不存在长纤维并且因此在任何情况下都将具有非常差的抵抗性。
如果单向地使用长纤维层，则将需要4个单独的层来覆盖4个方向。
使用使纤维的组织按45°的角度旋转的两个叠置的织造层，允许长纤维的层的最小数目被减少至两个层以覆盖前述四个方向。应当注意，通过应用根据本发明的方法，即通过在存在保护性非织造层的情况下提供针刺，使得两个织造层的长纤维不会被损伤并且对于盘的机械强度有用的长纤维的量不会减少。否则，如果不应用根据本发明的方法(即，不提供非织造保护/屏蔽层)，则长纤维的一部分将被损伤。因此，为了在盘的主平面上获得等效有用的长纤维分布，将有必要增大层的数目。
由于本发明中分布在预制件的(并因此制动盘的)主平面上的有用长纤维的数量相等，可以将层的数目限制为两个并且因而减小预制件的厚度并因此也减小制动盘的厚度。厚度上的减小允许在盘的重量和通风方面的显著节省。
优选地，非织造层NW的至少一部分或所有非织造层NW由短纤维构成。
“短纤维”是指预定义长度/不连续长度的纤维。有利地，可以根据在下面的一个或更多个织造层的厚度以及来自非织造层NW的纤维必须穿透到织造层W中的深度来选择短纤维的长度。
具有短纤维的非织造层NW可以通过适合该目的的任何技术来获得。优选地，这些层是从人造短纤维(staple fibre：人造纤维、切段纤维)开始获得的。
替代地，非织造层NW的至少一部分或所有这样的非织造层NW可以由连续长丝形式的纤维构成。
纤维层(织造W和非织造NW)可以由具有相同特征的纤维制成或者由不同纤维的混合物制成。纤维可以在同一层内以及在层与层之间两种情况中变化类型和特征。
有利地，如图7中示出的，在叠置步骤a)之后且在针刺步骤b)之前，该方法可以包括将形成多层本体的纤维的经叠置的层固化的中间步骤。该中间(可选的)固化步骤是旨在在针刺步骤b)之前将不同层彼此连接并促进多层本体2的处理。
特别地，当纤维预制件1由两个或更多个经针刺的多层本体3构成并且在针刺步骤b)之前必需处理多层本体2时，该中间固化步骤是有用的。
优选地，该中间固化步骤可以通过缝纫或者甚至更优选地通过轻度针刺来进行。轻度针刺是指以远低于在针刺步骤b)中所预期的针刺密度进行的针刺。有利地，甚至以执行“轻度”针刺的方式以使用一个或更多个非织造层NW来保护织造层W。
特别地，如图7中例示的，使用具体地致力于该目的的第二针刺装置110执行通过轻度针刺的中间固化步骤。
有利地，如图1中示出的，根据本发明的方法可以包括通过切割前述纤维层来执行的使纤维预制件1成型的步骤d)。
成型操作可以在叠置步骤a)和b)之前在单个纤维层上执行，或者该成型操作可以在单个经针刺的多层本体3上或者(如果预制件由两个或更多个经针刺的多层本体形成)直接地在纤维预制件1上执行(如图1中的图表所设想的)。
如已经提到的，纤维可以在碳纤维中或在碳前驱体纤维(优选地为PAN、沥青或人造丝)中。
如果纤维至少部分地是碳前驱体纤维，则根据本发明的方法可以包括碳化的步骤e)，旨在将碳前驱体纤维转变成碳纤维。特别地，碳化涉及将纤维加热到1500℃至2000℃之间的温度，该温度根据前驱体的类型而变化。
有利地，根据本发明的方法可以包括纤维预制件的石墨化的步骤e)。特别地，石墨化涉及在2000℃至3000℃之间的温度处加热碳纤维。石墨化允许改变纤维的机械和热学特征(并因此也部分地改变将结合这种纤维的成品)。特别地，石墨化增大碳纤维的弹性模量。
根据本发明获得的纤维预制件1的尺寸可以根据纤维预制件1的最终应用而变化。
有利地，如下文将示出的，根据本发明的方法制作的纤维预制件1可以在C/C制动盘的生产中用作增强结构。在这种情况下，将纤维预制件成型以便具有柱状形状，其中，该柱状形状的轴线与纤维层的叠置轴线Z平行。这样，织造层W被布置成与盘平面平行并且通过针刺被定向的纤维与盘平面自身正交。
特别地，纤维预制件可以具有的厚度在10至80mm之间。
特别地，纤维预制件可以根据与叠置轴线Z正交的平面具有圆形截面并且可以具有在200至600mm之间的直径。
特别地，纤维预制件具有的密度(表观几何)在0.4至0.7g/cm3之间。
本发明的目的是碳纤维和/或碳前驱体纤维的纤维预制件1。
纤维预制件1包括根据叠置轴线Z彼此叠置的至少两个碳纤维层和/或碳前驱体纤维层。通过针刺将前述至少两个纤维层连结在一起。
根据本发明，这样的两个纤维层的第一层NW是非织造形式的纤维的层NW，并且这样的两个纤维层的第二层是织造形式的层W。
在第二层W中，存在被布置成与叠置轴线Z平行并形成具有织造纤维的三维结构的多个纤维20。纤维20，上述纤维被布置成与叠置轴线Z平行、与织造纤维形成三维结构，并且上述纤维来自上述第一层NW、已经通过针刺被移动到第二层W中。
纤维预制件1的尺寸可以根据纤维预制件1的最终应用而变化。
有利地，如将在下文继续的，根据本发明的纤维预制件1可以在C/C制动盘的生产中用作增强结构。在这种情况下，将纤维预制件成型以便具有柱状形状，其中，该柱状形状的轴线与纤维层的叠置轴线Z平行。这样，织造层W被布置成与盘平面平行并且通过针刺被定向的纤维与盘平面自身正交。
特别地，纤维预制件1可以具有的厚度在10至80mm之间。
特别地，纤维预制件1可以根据与叠置轴线Z正交的平面具有圆形截面并且可以具有在200至600mm之间的直径。
特别地，纤维预制件的密度(表观几何)在0.4至0.7g/cm3之间。
优选地，纤维预制件1是按照根据本发明特别是如以上所描述的方法制作的。为了简单起见，关于制作方法所描述的内容也被认为是指纤维预制件1并且为了描述的简化，将不再次对其进行描述。
本发明的目的还在于通过纤维预制件的致密化来制作纤维增强的C/C制动盘的方法。
经受致密化的纤维预制件是根据本发明的纤维预制件1。
优选地，上述纤维预制件1是通过根据本发明的并且特别是如以上所描述的方法制作的。
有利地，上述纤维预制件1具有待被获取的制动盘的形状。替代地，上述纤维预制件1还可以具有不与制动盘的形状相对应的形状，例如，纤维预制件可以限定盘的内部增强环，该内部增强环具有相对于盘自身的延伸有限的延伸。
优选地，通过CVD/CVI气体沉积或通过使用树脂和/或沥青浸渍来执行致密化。
如从说明书中可以理解的，根据本发明的方法允许克服现有技术的缺点。
如已经提到的，由于根据本发明的方法，可以通过控制纤维预制件中的纤维的三维分布来生产纤维预制件，而不会遭遇现有技术的限制并且特别是不会遭遇由针刺导致的纤维损伤。
由于根据本发明的方法，实际上，可以通过适当地选择织造类型来控制在由织造层限定的平面上(彼此平行)的纤维的布置，并且不会因针刺作用改变该布置，因为存在在这种意义上执行屏蔽功能的非织造层。
可以通过调整针刺过程的操作参数和非织造层的特征来控制与由纤维层限定的平面正交的纤维的布置。
所有这些使得根据本发明的方法特别地适合于在制作碳纤维的纤维预制件，该纤维预制件意在C/C制动盘的生产中用作增强结构。
实际上，从碳纤维预制件开始获得的成品制动盘的一些关键特征在很大程度上取决于纤维预制件的制作方式。特别地，特征诸如沿着盘的旋转轴线Z(正交于盘平面)的抗压强度/刚度、相对于盘平面的抗剪强度以及沿着轴线Z的热导率强烈地取决于沿轴线Z被引导的纤维的数量和分布。由于根据本发明的方法，现在可以对在盘平面上的纤维的分布以及与盘自身的旋转轴线平行的纤维的分布两者进行控制。
此外，由于本发明的方法，可以可靠地且成本有效地执行控制。
下面列出使用根据本发明的方法可获得的主要优点：
-针刺期间属于织造层的纤维的完整性：由于由非织造层提供的屏蔽作用，针刺仅作用在属于非织造层的纤维上，将属于非织造层的纤维拉动成正交于这些层的卧置平面，即沿方向Z拉动；
-针刺给予纤维预制件较大的尺寸/几何稳定性，在后续的生产步骤中是有用的；
-将织造层的定向旋转的可能性，以及随之而来的获得纤维预制件的较好的正交各向异性的特性的可能性，还有因此获得使用这样的预制件制造的制动盘的较好的正交各向异性的特性的可能性；
-由于在盘平面上的织物中存在连续纤维，通过使用根据本发明的纤维预制件1获得的制动盘的较高的最终机械强度；
-减小使用根据本发明的纤维预制件1获得的制动盘的最小截面的可能性。
本领域的技术人员可以对以上描述的制作纤维预制件的方法进行若干改变和调整，以便满足具体的和偶发的需求，所有这些都落入所附权利要求所限定的保护范围内。

Claims (29)

1.一种制作碳纤维和/或碳前驱体纤维的纤维预制件的方法，所述方法包括：
-步骤a)，根据预定义的叠置轴线(Z)来叠置至少两个碳纤维层和/或碳前驱体纤维层，以便形成多层本体(2)；
-步骤b)，借助于至少一个第一针刺装置(10)、在与所述叠置轴线(Z)基本上平行的针刺方向上针刺所述多层本体(2)，以将至少部分的纤维布置成平行于所述叠置轴线(Z)，以便获得经针刺的多层本体(3)，
-可选的步骤c)，将通过应用所述步骤a)和b)分别地获得的两个或更多个所述经针刺的多层本体(3)根据所述叠置轴线(Z)彼此叠置，
其中，所述纤维预制件(1)由单个多层式经针刺本体(3)构成或者由沿所述叠置轴线(Z)彼此叠置的两个或更多个经针刺的多层本体(3)构成，
其特征在于，在所述叠置步骤a)中，通过将一个或更多个非织造形式的纤维层(NW)叠置在一个或更多个织造形式的纤维层(W)上来制作所述多层本体(2)，
并且其中，在所述针刺步骤b)中，所述多层本体(2)的与所述第一针刺装置(10)的针(11)相遇的第一部分由至少一个非织造层(NW)构成，以便防止所述针(11)直接地接合在下面的织造层(W)的纤维，并且使得待布置成与所述叠置轴线(Z)平行的纤维(20)属于由至少一个非织造形式的纤维层(NW)构成的所述第一部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一针刺装置(10)的所述针(11)各自配备有适合于接合一根或更多根纤维(20)的一个或更多个倒钩(12)，并且其中，在考虑所述倒钩(12)的数目和尺寸、以及构成所述第一部分的所述至少一个非织造纤维层(NW)的重量和纤维的直径的情况下执行所述针刺步骤b)，使得所述针(11)通过所述倒钩(12)仅接合所述第一部分的纤维。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，根据所期望的所述纤维预制件(1)在正交于所述叠置轴线(Z)的平面上的纤维的密度和定向，来选择被布置在所述一个或更多个织造层(W)中的纤维的密度和定向。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中，根据期望在所述纤维预制件(1)的内部获得的被布置成与所述叠置轴线(Z)平行的纤维(20)的密度，来选择通过针刺被布置成与所述针刺方向平行的纤维(20)的数目。
5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，在所述针刺步骤b)中，通过根据针倒钩的大小和数目、以及根据构成所述多层本体(2)的所述第一部分的所述至少一个非织造纤维层(NW)的重量和纤维的直径，对针刺密度进行调整来控制每表面单元中待被布置成与所述叠置轴线平行的纤维(20)的平均数目。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，通过根据所述预制件中的空间位置使针刺密度差异化来执行所述针刺步骤b)，以便使每表面单元中被布置成与所述叠置轴线(Z)平行的纤维(20)的平均数目根据所述预制件中的空间位置而差异化。
7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，在所述叠置步骤a)中，通过将单个非织造形式的纤维层(NW)叠置在单个织造形式的纤维层(W)上来制作所述多层本体(2)。
8.根据权利要求1至6中的一项或多项所述的方法，其中，在所述叠置步骤a)中，通过将两个或更多个非织造形式的纤维层(NW)叠置在一个或更多个织造形式的纤维层(W)上来制作所述多层本体(2)。
9.根据权利要求1至6中的一项或多项所述的方法，其中，在所述叠置步骤a)中，通过将一个或更多个非织造形式的纤维层(NW)叠置在两个或更多个织造形式的纤维层(W)上来制作所述多层本体(2)。
10.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述非织造层(NW)具有的重量小于所述织造层(W)的重量。
11.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述非织造层(NW)各自具有的重量在50至500g/m2之间。
12.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述织造层(W)各自具有的重量在100至1000g/m2之间。
13.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述织造层(W)中的每一织造层具有与该层的表面延伸平面平行的织造延伸。
14.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述织造层(W)具有斜纹组织或平纹组织。
15.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述纤维预制件(1)包括至少两个织造纤维层(W1、W2)，所述两个织造层(W1、W2)是同一经针刺的多层本体(3)的部分或是两个不同的经针刺的多层本体(3＇、3”)的部分，并且其中，所述至少两个织造层(W1、W2)被布置成相对于彼此为下述情况：纤维的组织相对于另一织造层的组织围绕所述叠置轴线(Z)旋转预确定的角度(α)。
16.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述非织造层(NW)的至少一部分或全部所述非织造层(NW)由短纤维构成。
17.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述非织造层(NW)的至少一部分或全部所述非织造层(NW)由通过连续长丝所限定的纤维制成。
18.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述纤维层由具有相同特点的纤维构成或由不同纤维的混合物构成。
19.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，包括通过切割上述纤维层(NW、W)来使所述纤维预制件(1)成型的步骤d)。
20.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，在所述层(NW、W)的纤维至少部分地为碳前驱体纤维的情况下，包括碳化的步骤e)。
21.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，包括石墨化的步骤f)。
22.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述纤维预制件(1)具有柱状形状，所述柱状形状具有的轴线与纤维层的所述叠置轴线(Z)平行。
23.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述纤维预制件(1)具有的厚度在10至80mm之间。
24.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述纤维预制件(1)具有根据与所述叠置轴线(Z)正交的平面的圆形截面并且具有在200至600mm之间的直径。
25.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中，所述纤维预制件(1)具有范围从0.4至0.7g/cm3的表观几何密度。
26.碳纤维和/或碳前驱体纤维的纤维预制件，所述纤维预制件包括根据叠置轴线(Z)彼此叠置的至少两个碳纤维层和/或碳前驱体纤维层，其中，所述至少两个纤维层通过针刺被连结，其特征在于，所述两个纤维层中的第一层(NW)是非织造形式的纤维层(NW)，并且所述两个纤维层中的第二层是织造形式的纤维层(W)，并且其中，在所述第二层(W)中存在下述多根纤维(20)，所述多根纤维被布置成与所述叠置轴线(Z)平行，与织造纤维形成三维结构，并且所述多根纤维来自所述第一层(NW)、已经通过针刺被移动到所述第二层(W)中。
27.根据权利要求26所述的纤维预制件，其中，所述第二织造层(W)具有与该层自身的表面延伸平面平行并且基本上正交于所述叠置轴线(Z)的织造延伸。
28.通过纤维预制件的致密化来制作纤维增强的C/C制动盘的方法，其特征在于，所述纤维预制件(1)是通过根据权利要求1至25中的一项或多项所述的方法制作的。
29.通过纤维预制件的致密化来制作纤维增强的C/C制动盘的方法，其特征在于，所述纤维预制件是根据权利要求26或27所述的纤维预制件(1)。
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