CN112628324A - 用于盘式制动器的复合材料纤维预制件 - Google Patents

用于盘式制动器的复合材料纤维预制件 Download PDF

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CN112628324A CN202010920076.1A CN202010920076A CN112628324A CN 112628324 A CN112628324 A CN 112628324A CN 202010920076 A CN202010920076 A CN 202010920076A CN 112628324 A CN112628324 A CN 112628324A
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Abstract

本发明题为“用于盘式制动器的复合材料纤维预制件”。本发明公开了一种纤维预制件，该纤维预制件限定沿着中心纵向轴线延伸的环。该纤维预制件包括多个层，该多个层相对于该纵向轴线沿轴向方向和周向方向延伸。该多个层中的每个层包括多根细长纤维。该多根细长纤维包括基本上沿该轴向方向延伸的多根细长轴向纤维以及基本上沿该周向方向延伸的多根细长周向纤维。该纤维预制件也包括基本上沿该径向方向延伸的多根径向纤维。该多根径向纤维机械地粘结该多个层中的一个或多个相邻层。该多根细长纤维的至少40％基本上沿该轴向方向延伸。

Description

用于盘式制动器的复合材料纤维预制件
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，诸如摩擦制动材料。
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。
发明内容
在一些示例中，本公开描述了限定沿着中心纵向轴线延伸的环的纤维预制件，该纤维预制件包括多个层和多根径向纤维。多个层相对于纵向轴线沿轴向方向和周向方向延伸。多个层中的每个层由多根细长纤维形成，该多根细长纤维包括基本上沿轴向方向延伸的细长轴向纤维以及基本上沿周向方向延伸的细长周向纤维。多根细长纤维的至少约40％基本上沿轴向方向延伸。相对于纵向轴线基本上沿径向方向延伸的多根径向纤维机械地粘结多个层中的一个或多个相邻层。
在一些示例中，本公开描述了纤维预制件，该纤维预制件限定沿着中心纵向轴线延伸的圆筒。纤维预制件包括多个纤维层和多根径向纤维。多个纤维层相对于圆筒沿轴向方向和周向方向延伸。多个层中的每个层包括织造织物，该织造织物包括基本上沿轴向方向延伸的多根细长轴向纤维以及基本上沿周向方向延伸的多根细长周向纤维。织造织物的至少40％的纤维基本上沿轴向方向延伸。多根径向纤维相对于圆筒基本上沿径向方向延伸并且机械地粘结多个层中的一个或多个相邻层。
在一些示例中，本公开描述了碳-碳复合材料盘式制动器，该盘式制动器限定沿着中心纵向轴线延伸的环。碳-碳复合材料盘式制动器包括多个层和多个径向碳纤维。多个层相对于纵向轴线沿轴向方向和周向方向延伸。多个层中的每个层包括多根细长碳纤维，该多根细长碳纤维包括基本上沿轴向方向延伸的多根细长轴向纤维以及基本上沿周向方向延伸的多根细长周向纤维。多根细长纤维的至少40％基本上沿轴向方向延伸。多根径向碳纤维相对于纵向轴线基本上沿径向方向延伸并且机械地粘结多个层中的一个或多个相邻层。
在一些示例中，本公开描述了方法，该方法包括围绕芯轴卷绕复合材料织物以形成多个层，该多个层限定沿着中心纵向轴线延伸的环。复合材料织物包括相对于纵向轴线基本上沿轴向方向延伸的多根细长轴向纤维以及相对于纵向轴线基本上沿周向方向延伸的多根细长周向纤维。该方法还包括将多根径向纤维引入多个层的至少一部分中，该多根径向纤维相对于纵向轴线基本上沿径向方向延伸。多根径向纤维机械地粘结多个层中的一个或多个相邻层。
在一些示例中，本公开描述了用于形成复合材料制动垫的方法，该方法包括将碳纤维织物缠绕在旋转芯轴周围以形成多个层，该多个层限定沿着中心纵向轴线延伸的圆筒。碳纤维织物包括多根细长碳纤维，该多根细长碳纤维的至少40％沿轴向方向延伸。该方法还包括簇绒或针刺多个层中的至少一者，以将径向延伸的纤维引入多个层中以形成碳纤维预制件。该方法还包括使碳纤维预制件热解，至少部分地使碳纤维预制件致密化，以及将碳纤维预制件分割成限定多个复合材料盘式制动器的盘。
在一些示例中，本公开描述了包括复合材料织物源和芯轴的系统。复合材料织物源包括复合材料织物。芯轴被构造成围绕芯轴卷绕复合材料织物以形成纤维预制件，该纤维预制件限定沿着中心纵向轴线延伸的环。纤维预制件包括多个层和多根径向纤维。多个层相对于纵向轴线沿轴向方向和周向方向延伸。多个层中的每个层包括多根细长纤维，该多根细长纤维包括基本上沿轴向方向延伸的多根细长轴向纤维以及基本上沿周向方向延伸的多根细长周向纤维。多根细长纤维的至少40％基本上沿轴向方向延伸。多根径向纤维相对于纵向轴线基本上沿径向方向延伸并且机械地粘结多个层中的一个或多个相邻层。
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是示出示例性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和结构特征形成的盘式制动器中的一个或多个盘式制动器。
图2是限定内径(ID)和外径(OD)的示例性定子制动盘的示意性透视图。
图3A是可用于制造本文所述的复合摩擦材料的示例性纤维预制件的示意性透视图。
图3B是如图3A所指示的纤维预制件的一部分的局部横截面。
图4是示出用于制造图3A的纤维预制件的示例性系统的概念图。
图5A和图5B是示出在使用本文所述的技术制造的示例性摩擦复合材料以及示例性非织造摩擦复合材料的制动过程期间的示例性峰值温度的热图。
图6是使用本文所述的技术制造的示例性摩擦复合材料以及示例性非织造摩擦复合材料的峰值抗氧化剂温度与时间的曲线图。
图7是示出制造纤维预制件的示例性技术的流程图。
具体实施方式
在一些示例中，本公开描述了用于生产复合摩擦材料的纤维预制件，该复合摩擦材料可用于例如形成盘式制动器。所描述的纤维预制件可限定沿着中心纵向轴线延伸的环。纤维预制件可包括多个层，该多个层相对于纵向轴线沿轴向方向和周向方向延伸。多个层中的每个层可包括复合材料织物。复合材料织物包括沿着长轴延伸的多根细长纤维。在一些示例中，多根细长纤维中的纤维的长轴的至少40％相对于纵向轴线沿轴向方向延伸。例如，多根细长纤维中的大部分纤维可相对于纵向轴线沿轴向方向延伸，其余纤维相对于纵向轴线沿周向方向或径向方向延伸。在一些示例中，可选择沿轴向方向、周向方向和径向方向中的每一者延伸的纤维的百分比以改善摩擦特性、剪切强度、扭矩强度以及它们的组合。
复合摩擦材料，诸如复合材料飞机制动器，在操作期间磨损。在飞机制动器的示例中，增加制动器的使用寿命可通过增加耐磨销长度、降低摩擦材料的磨损率或两者来实现。通常，耐磨销已经处于最大长度。因此，降低磨损率可能是有益的。复合材料中的纤维取向可影响磨损率和热导率。在一些示例中，复合材料飞机制动器包括径向纤维区段和弦向纤维区段的交替层，使得大部分纤维位于制动盘的径向方向和弦向方向上。针刺可用于在轴向方向上引入相对较低百分比的纤维。
使复合摩擦材料的大部分纤维相对于由盘式制动器限定的环的纵向轴线在轴向方向上(例如，垂直于摩擦表面)取向可降低磨损率，增加热导率(在轴向方向上)，并且增加复合摩擦材料的使用寿命。附加地或另选地，大多数纤维的轴向取向可提高从摩擦表面到散热器(诸如背衬板)的热导率。例如，通过更好地传导热，轴向取向的纤维可降低峰值温度和/或减少操作期间暴露于温度的时间，这可增加摩擦材料和/或摩擦材料上的抗氧化剂涂层的使用寿命。附加地或另选地，大部分纤维的轴向取向可通过提供优先取向的纤维经由化学气相渗透或化学气相沉积(CVI/CVD)工艺来改善中盘致密化，这可减小密度梯度，潜在地增加体密度，从而导致较低的整体温度，和/或潜在地减少CVI/CVD循环的数量以实现所需的密度。
图1是示出示例性车轮和制动器组件10的概念图，该车轮和制动器组件可包括根据本公开的技术和结构特征形成的盘式制动器中的一个或多个盘式制动器。为了便于描述，将主要关于由复合摩擦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复合摩擦材料。例如，复合摩擦材料可用于可受益于例如改善的磨损率和/或改善的热导率的其他类型的运载工具或摩擦材料应用中。
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16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和活塞34。制动器堆叠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可支撑任何种类的私人、商业或军用飞机或其他类型的运载工具。
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安装到运载工具。在图1的示例中，扭矩管42通过多个螺栓46附连到轴18。扭矩管42支撑致动器组件14和定子制动盘38。轴18可安装在起落架(未示出)的撑杆或运载工具的其他合适的部件上，以将车轮和制动器组件10连接到该运载工具。
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被构造成经由致动器组件14和制动器堆叠16向运载工具提供制动功能。致动器组件14包括致动器壳体30和活塞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者或多者。在操作期间，活塞34可延伸远离致动器壳体30，以针对压缩点48轴向压缩制动器堆叠16以进行制动。
制动器堆叠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通过键齿44安装到扭矩管42。在图1的示例中，制动器堆叠16包括四个转子和五个定子。然而，在其他示例中，制动器堆叠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。随着移动的飞机的动能在制动器堆叠16中转换成热能，制动器堆叠16中的温度可能快速升高。照此，形成制动器堆叠16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形成呈环的形式的碳-碳(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、烧蚀技术等)，使用本文所述的纤维预制件作为起始基底来制造。
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。在一些示例中，车轮和制动器组件10可包括隔热罩(未示出)，该隔热罩径向向外延伸并向外围绕制动器堆叠16，例如，以限制在制动器堆叠16与车轮12之间的热传递。
在一些示例中，键齿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可包括沿着制动盘的内径的多个径向向内设置的凸耳槽，该凸耳槽被构造成与齿条44接合。类似地，转子制动盘36可包括沿着制动盘的外径的多个径向向内设置的凸耳槽，该凸耳槽被构造成与梁键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是限定内径(ID)和外径(OD)的示例性定子制动盘38的示意性透视图。定子制动盘38包括定位在环的相对侧上的相对摩擦表面70。沿着定子制动盘38的内径ID的内部径向节段74包括切入定子制动盘38中的多个凸耳槽72。凸耳槽72被构造成与车轮和制动器组件10的键齿44接合和联结。对于转子盘式制动器36，凸耳槽72将沿着环的外径OD沿着外部径向节段76出现。转子盘式制动器36的凸耳槽72将被构造成与梁键40接合和联结。
在制动过程期间，键齿44和梁键40可与转子制动盘36和定子制动盘38的相应凸耳槽72接合，从而在相邻摩擦表面70之间产生热量并将大量扭矩传递到制动盘中。制动过程期间产生的热量可通过制动盘38的纤维传导。在一些示例中，C-C复合材料的下面纤维架构的取向可影响热传导。例如，与横向于纤维的纵向长度的方向相比，平行于纤维的纵向长度的热传导可能更大。在一些示例中，如果C-C复合材料的大部分纤维在轴向方向上(相对于周向方向或径向方向)取向，则可在摩擦表面70之间和/或朝向制动盘38的芯(在轴向方向上)传导更多热量(例如，在轴向方向上远离摩擦表面70)。在相邻摩擦表面之间和/或朝向制动盘38的芯传递热量可减少热量的局部积聚，否则这可增加磨损，损坏保护性涂层和/或减少盘式制动器38的使用寿命。这样，可选择盘式制动器36和38的纤维架构以降低磨损率，增加轴向方向上的热导率并增加复合摩擦材料的使用寿命。
另外，制动过程期间产生的扭矩力可传递到C-C复合材料的下面纤维架构中。在一些示例中，如果C-C复合材料的纤维在径向方向上取向，则合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，如果纤维在周向方向上取向(例如，垂直于径向方向对齐)，则合力可在大致沿着纤维的纵向长度的方向上施加。可以选择盘式制动器36和38的纤维架构以在凸耳槽72附近提供期望的扭矩传递。
图3A是可用于制造本文所述的复合摩擦材料(例如，图1和图2的转子制动盘36或定子制动盘38)的示例性纤维预制件100的示意性透视图。图3B是纤维预制件100的局部横截面(横截面在图3A中指示)。纤维预制件100限定沿着中心纵向轴线110延伸(例如，平行于x轴延伸)的环。纤维预制件包括多个叠加的纤维层102(“层102”)。层102相对于纵向轴线沿轴向方向“A”和周向方向“C”延伸。如图3B所示，层102包括围绕纵向轴线110卷绕的层102A-102G。例如，层102可围绕纵向轴线110例如以连续螺旋方式连续卷绕。在其他示例中，层102可包括离散环。层102包括多根细长纤维103。
在一些示例中，层102可包括连续纤维织物，诸如单轴织物或双轴织物。例如，层102中的每个层可包括基本上沿轴向方向延伸的多根连续轴向纤维104(“轴向纤维104”)以及基本上沿周向方向延伸的多根连续周向纤维106(“周向纤维106”)。如本文所用，基本上沿轴向方向、周向方向或径向方向延伸可以指相对于纵向轴线110(例如，相对于环)沿相应方向延伸到给定复合材料纤维制造公差所允许的程度，例如，不超过+/-5度(诸如+/-2度)的偏差。连续纤维可包括至少在整个层102上连续的无限长的纤维。在一些示例中，连续纤维织物可包括具有任何合适的编织图案的织造织物。在一些示例中，层102可包括连续纤维织物和非织造织物的交替层。
在一些示例中，层102可簇绒和/或针刺在一起以形成纤维预制件100。簇绒工艺或针刺工艺可将基本上沿径向方向“R”延伸的多个第三纤维108(“径向纤维108”)引入纤维预制件100中。径向纤维108可将层102机械地粘结在一起。例如，径向纤维108可将层102中的至少一个层固定到层102中的一个或多个相邻层。这样，径向纤维108可增加由纤维预制件100和/或由纤维预制件100形成的盘式制动器38的层间剪切强度。附加地或另选地，与包括类似数量的未被簇绒或针刺在一起的层102的预制件相比，簇绒工艺或针刺工艺、以及所得径向纤维108可部分地压缩层102以形成更压实的纤维预制件100。
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生产的预制件(例如，纤维预制件100)可包括任何合适的数量的层102以产生所得预制件的期望外径OD。例如，每个层102可具有在径向平行上测量的约1毫米(mm)至约2mm的厚度。纤维预制件100一旦完成，便可呈限定预制件外径(OD)和预制件内径(ID)的环的形状。在一些示例中，纤维预制件100的预制件外径(OD)可以为约14.5英寸(例如，约37cm)至约25英寸(例如，约64cm)，并且纤维预制件100的预制件内径(ID)可以为约4.5英寸(例如，约12cm)至约15英寸(例如，约38cm)。因此，在一些示例中，纤维预制件可包括约30层至约520层。在其他示例中，纤维预制件可包括少于30层或多于520层。
在一些示例中，在形成预制件100之后，例如，在预制件100的热解、部分致密化或致密化中的任一者之前或之后，可沿着周向/径向平面(例如，平行于yz平面)分割(例如，切割)预制件100以形成制动盘(例如，制动盘38)。在一些示例中，纤维预制件100的每个分段部分的总厚度(T)可为约1英寸至约3英寸(例如，约2.54cm至约7.62cm)。
在一些示例中，纤维预制件100可构造有凸耳槽72(图3A中未示出)，该凸耳槽形成到外径(OD)或内径(ID)中的任一者中，这取决于纤维预制件100是旨在分别形成为转子盘式制动器36还是定子盘式制动器38。在一些示例中，与纤维预制件100的其他区域相比，例如具有约3英寸(例如，约7.62cm)的凸耳槽72的凸耳槽72处的预制件100的区域可包括更多的径向纤维108。凸耳槽72附近的径向纤维108的更大集中可改善凸耳槽72处的扭矩传递强度。在一些示例中，凸耳槽可与纤维预制件100一起形成，可在相应层102已全部卷绕之后切割成纤维预制件100，或者可在纤维预制件100已经历后续热解和致密化过程中的一些或全部之后引入以将纤维预制件100转化成C-C复合材料。
在一些示例中，纤维预制件可呈限定内径ID和外径OD的环(例如，盘形)的形状。纤维预制件环的横截面可被分成内部径向节段、中心径向节段和外部径向节段。例如，层102A和102B可限定内部径向节段，层102C-102E可限定中心径向节段，并且层102G和102F可限定外部径向节段。在其他示例中，内部径向节段、中心径向节段和外部径向节段可包括任何合适数量的层。在其他示例中，内部径向节段、中心径向节段和外部径向节段可各自包括环的总宽度W的约5％至约90％。
在一些示例中，与中心径向节段中的径向延伸纤维的百分比相比，内部径向节段和外部径向节段中的每一者可包括更大百分比的径向延伸纤维(相对于轴向或周向延伸纤维)。在一些示例中，可基于凸耳区域在最终纤维预制件内的位置(例如，被构造成接收与车轮和制动器组件的键齿或梁键互锁的凸耳槽的区域)来选择径向延伸的纤维的百分比。
纤维103(例如，轴向纤维104、周向纤维106和径向纤维108)可包括碳纤维、被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。
在一些示例中，轴向纤维104和/或周向纤维106可为连续长丝的丝束(例如，线性对齐的单独纤维束)的形式。每个丝束可包括单向对齐以形成单个丝束的数百到数千根单独纤维。在此类示例中，层102可包括在区段内具有多个单向对齐的丝束的织物，其中每个丝束包括多根纤维。
在一些示例中，层102可以包括双层织物，该双层织物包括已经与多个幅材纤维(未示出)组合的多个单向对齐轴向纤维104和/或周向纤维106(例如，对齐丝束)。幅材纤维可包括具有未指定对齐的短切、不连续或切断纤维，其与轴向纤维104和/或周向纤维106相比相对较短，当在双层织物中与轴向纤维104和/或周向纤维106组合时，与对齐的轴向纤维104和/或周向纤维106缠结以赋予层102中的每个层的完整性。幅材纤维可以限定相对于彼此以及相对于对齐的轴向纤维104和/或周向纤维106的随机纤维取向。
在一些示例中，双层织物的形成可通过将对齐的丝束纤维(例如，轴向纤维104和/或周向纤维106)的一个或多个层与幅材纤维的一个或多个层组合来实现，该幅材纤维随后针刺到丝束纤维的层中以形成双层织物。例如，可通过交叉梳理幅材以实现期望面积重量并且然后针刺该层以形成幅材层来形成幅材纤维的层。附加地或另选地，幅材层可通过将幅材纤维在单向对齐的纤维的层的顶部上气流成网而形成。单向对齐的纤维的层可通过使用线轴架散布大的连续丝束以形成期望面积重量的片材而形成，其中纤维在相同的方向上对齐。幅材层和单向对齐的纤维层两者可被针刺在一起以迫使相对短的幅材纤维与单向对齐的纤维缠结以形成双层织物(例如，层102)。
附加地或另选地，可通过将幅材纤维初始结合到单向对齐纤维的丝束内而将层102形成为双层织物。所描述的丝束的层可通过使用线轴架散布大丝束以形成期望面积重量的片材而形成。然后可以针刺该层，以迫使相对短的幅材纤维与单向对齐的纤维缠结，从而形成双层织物。
作为上述示例中的任一者中的针刺工艺的结果，幅材纤维与对齐的纤维缠结，并有助于将对齐的纤维粘结在一起，从而允许有效地处理层102，而不会使对齐的纤维在后续处理中分离或裂开。与仅单向对齐纤维的层相比，所得双层织物(例如，层102)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。其他技术也可用于将层102形成为双层织物，该双层织物包括单向对齐纤维和幅材纤维，这些纤维可以是本领域技术人员已知的。在本文所述的所有示例中，用于形成本文所述的纤维预制件的层102和织物区段可由双层织物的一个或多个层构成。
在一些示例中，除了将层102保持在一起之外，用于生产双层织物的幅材纤维最终可用于形成或贡献纤维预制件100中的一部分针刺纤维104，这是由于层102叠加(例如，堆叠在彼此上)并针刺在一起。另外地或另选地，由于层102叠加并针刺在一起，单向对齐纤维(例如，轴向纤维104和/或周向纤维106)中的至少一些单向对齐纤维可在纤维预制件100内转变成针刺纤维104。例如，针刺工艺可断裂包含在层102中的单向对齐纤维中的一些单向对齐纤维，并且至少部分地将断裂纤维转移到纤维预制件100内的一个或多个相邻层102中以形成针刺纤维104。
幅材纤维和单向对齐纤维103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，层102可形成为具有约500克/平方米(g/m2)至约2500g/m2(诸如约597g/m2至约1346g/m2)的面积重量。
图4是示出用于制造纤维预制件100的示例性系统400的概念图。系统400包括第一芯轴402和第二芯轴404。系统400被构造成将复合材料织物406卷绕成纤维预制件100。
第一芯轴402被构造成将来自织物源408的复合材料织物406卷绕成纤维预制件100。第一芯轴402沿着中心纵向轴线410延伸。在一些示例中，第一芯轴402联接到马达412。马达412被构造成可控地旋转第一芯轴402以围绕第一芯轴402卷绕复合材料织物406。在一些示例中，马达412可包括通信地联接到控制器(未示出)的变速马达。控制器可被构造成控制芯轴402的旋转速度。
在一些示例中，第一芯轴402可包括可被加热到约1900℃和约2500℃之间的材料。例如，第一芯轴402可包括石墨芯轴。在一些示例中，第一芯轴402可包括可移除地附接到金属棒的石墨环。
在一些示例中，织物源408可卷绕在第二芯轴404周围。第二芯轴404可联接到张紧器414。张紧器414可包括例如电动马达或制动系统，该电动马达或制动系统被构造成当第一芯轴402旋转以将复合材料织物406卷绕到第一芯轴402上时在复合材料织物406上提供所选择的张力。在其他示例中，系统400可包括一个或多个张紧辊，该一个或多个张紧辊被构造成当第一芯轴402旋转以将复合材料织物406卷绕到第一芯轴402上时在复合材料织物406上提供所选择的张力。在一些示例中，所选择的张力可影响纤维预制件100的密度，例如相对于纤维预制件100的总体积的纤维体积。例如，与较小的张力相比，卷绕期间较大的张力可导致纤维预制件100更致密。在一些示例中，相对于纤维预制件100的总体积，可选择张力以产生所选择的纤维体积。例如，可选择张力以导致纤维体积相对于纤维预制件100的总体积的百分比介于约15％至约50％之间，诸如约22％至约25％。
系统400还可包括针刺器416。如上所讨论，使用针刺器416的针刺工艺可引入多根纤维，该多根纤维例如相对于中心纵向轴线410沿径向方向延伸。例如，使用针刺器416进行针刺可导致复合材料织物的纤维的至少一部分断裂并且至少部分地转移断裂的纤维以沿径向方向延伸。
针刺器416可包括具有多个针420的弯曲构件418。弯曲构件418具有曲率半径R。弯曲构件418的曲率半径R可被选择为对应于纤维预制件100的曲率半径。例如，如上所讨论，纤维预制件100可包括内部径向节段、中心径向节段和外部径向节段。弯曲构件418的曲率半径可与内部径向节段卷绕期间纤维预制件100的曲率半径(例如，纤维预制件100的内径ID)，外部径向节段卷绕期间纤维预制件100的曲率半径(例如，纤维预制件100的外径OD)，或介于内径ID和外径OD之间的半径相同或基本上类似。
在一些示例中，系统400可包括多个针刺器416。例如，系统400可包括第一针刺器，该第一针刺器具有与内部径向节段卷绕期间纤维预制件100的曲率半径(例如，纤维预制件100的内径ID)相同或基本上类似的第一半径。另外，系统400可包括第二针刺器，该第二针刺器具有与外部径向节段卷绕期间纤维预制件100的曲率半径(例如，纤维预制件100的外径OD)相同或基本上类似的第二半径(不同于第一半径)。
在一些示例中，针刺器416可联接到活塞或机械致动器(未示出)，该活塞或机械致动器被构造成当复合材料织物406卷绕到第一芯轴402上时可控制地将针420按压到纤维预制件100中。在一些示例中，可控制按压的频率和/或定时以在纤维预制件100的所选择的区域中提供所选择量的径向纤维。例如，在内部径向节段的卷绕期间，相对于以第二频率的按压卷绕的中心径向节段，第一频率的按压可提供更大量的径向纤维，第二频率小于第一频率。类似地，在外部径向节段的卷绕期间，大于第二频率的第三频率的按压相对于中心径向节段可提供更大量的径向纤维。这样，纤维预制件100可形成为相对于轴向和/或周向延伸的纤维具有所选择量(例如，百分比)的径向延伸的纤维。
除针刺器416之外或作为其替代，系统400可包括簇绒装置(未示出)。簇绒装置可包括一个或多个针，该一个或多个针被构造成将沿径向方向延伸的一根或多根纤维引入纤维预制件100中。例如，簇绒装置的针可在径向方向上引入纤维的环。用以引入沿径向方向延伸的纤维的簇绒可减少复合材料织物100的纤维的损坏，同时仍然提供沿径向方向延伸的纤维以机械地粘结纤维预制件100的多个层中的一个或多个相邻层。附加地或另选地，相对于引入径向纤维的其他工艺(诸如三维编织或三维编结)，用以引入沿径向方向延伸的纤维的簇绒可更快和/或更便宜。
图5A和图5B是示例性转子制动盘和相邻定子制动盘界面的热图500A和500B。如图5A所示，转子制动盘502A和相邻定子制动盘504A可限定摩擦表面界面506A。转子制动盘502A和定子制动盘504A包括非织造摩擦复合材料。在制动过程期间，转子制动盘502A与定子制动盘504A之间在摩擦表面界面506A处的摩擦产生热量。如热图500A所示，摩擦表面界面506A的温度为约2800℉。在一些示例中，此类温度可增加转子制动盘502A和定子制动盘504A的磨损，损坏转子制动盘502A和定子制动盘504A上的保护性涂层，并且/或者减少转子制动盘502A和定子制动盘504A的使用寿命。
如图5B所示，转子制动盘502B和相邻定子制动盘504B可限定摩擦表面界面506B。转子制动盘502B和定子制动盘504B材料502B包括使用本文所述的技术制造的摩擦复合材料。如热图500B所指示，在制动过程期间，摩擦表面界面506B的温度小于2800℉，诸如小于约2400℉。这种温度的降低(例如，相对于图5A的示例)可减少转子制动盘502B和定子制动盘504B的磨损和/或改善保护性涂层(诸如转子制动盘502B和定子制动盘504B上的抗氧化剂涂层)的使用寿命。这样，使用本文所述的技术制造的包括摩擦复合材料的制动盘可增加制动盘的使用寿命。
图6是使用本文所述的技术制造的示例性摩擦复合材料以及示例性非织造摩擦复合材料的峰值抗氧化剂(AO)温度与时间的曲线图600。线602示出了示例性非织造摩擦复合材料的温度。如图6所示，峰值温度在断裂过程期间达到约2800℉。在达到约2800℉的峰值温度之后，制动器随时间推移而冷却。线604示出了使用本文所述的技术制造的示例性摩擦复合材料的温度。
与非织造摩擦复合材料相比，由于轴向纤维，摩擦复合材料提供较低的热梯度。例如，如图6所示，所描述的摩擦复合材料的峰值温度在断裂过程期间达到小于约2400℉。在一些示例中，所描述的摩擦复合材料的峰值温度可比非织造摩擦复合材料的峰值温度低约550℉。在一些示例中，所描述的摩擦复合材料的抗氧化剂表面峰值温度可比非织造摩擦复合材料的峰值温度低约350℉。另外，与非织造摩擦复合材料相比，所描述的摩擦复合材料在高于2000℉下花费较少的时间。
本文所述的纤维预制件和盘式制动器可使用任何合适的技术形成。图7是示出制造纤维预制件和盘式制动器的示例性技术的流程图。参考纤维预制件100和盘式制动器38描述图7所示的技术；然而，可使用所描述的技术来形成其他纤维预制件或盘式制动器，并且可使用其他技术来形成纤维预制件100和盘式制动器38。
图7的示例性技术包括将复合材料织物卷绕到芯轴上以形成呈环形状的纤维预制件100(700)；将径向纤维引入纤维预制件100中(702)；使纤维预制件100热解(704)；以及使所得预制件100致密化以产生盘式制动器38(706)。
该技术包括将复合材料织物卷绕到芯轴上以形成呈环形状的纤维预制件100(700)。将复合材料织物卷绕以限定层102中的每个层。如上所讨论，层102中的每个层包括轴向纤维104和周向纤维106。所得纤维预制件100包括主要沿轴向方向和周向方向延伸的纤维。在一些示例中，将复合材料织物卷绕到芯轴上可包括选择芯轴的外径以对应于纤维预制件100的所选择的内径ID。在一些示例中，将复合材料织物卷绕到芯轴上可包括控制卷绕的数量以实现纤维预制件100的所选择的外径OD。在一些示例中，将复合材料织物卷绕到芯轴上可包括在卷绕期间控制复合材料织物的张力。例如，如上文参考图4所讨论，可使用第二芯轴或张紧杆来控制复合材料织物406的张力。
该技术还包括将径向纤维108引入纤维预制件100中(702)。径向纤维108可通过针刺、簇绒或两者的组合引入。在一些示例中，将径向纤维108引入纤维预制件100中可包括确定和/或控制针刺和/或簇绒的频率和/或定时。例如，如上所讨论，可控制针刺和/或簇绒的频率和/或定时以在纤维预制件100的所选择的区域中提供所选择量的径向纤维。径向纤维108可将层102机械地粘结在一起，部分地压缩层102以形成更压实的纤维预制件100，或这两者。这样，引入径向纤维108可增加使用纤维预制件100产生的纤维预制件100和/或盘式制动器38的层间剪切强度。
一旦已形成纤维预制件100，该技术可包括使纤维预制件100热解(704)。使纤维预制件100热解可通过热降解过程将任何碳前体材料转化成碳，以有效地烧尽任何非碳材料。例如，纤维预制件100可通过在惰性或还原条件下在蒸馏器中加热纤维预制件100来碳化，以从纤维103中移除非碳成分(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技术中，纤维预制件100可在惰性气氛中在例如约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100的几何形状(例如，厚度(T))。在一些示例中，可用氮气吹扫蒸馏器约1小时，然后在约10小时至约20小时的过程中缓慢加热至约900℃，然后在约1小时至约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小时至约6小时，然后使碳化的预制件冷却。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℃或高达约2600℃。
在热解之后，该技术还包括使所得预制件100致密化以产生盘式制动器38(706)。纤维预制件100可经受一个或多个致密化循环以形成C-C复合材料。示例性致密化循环可包括例如通过施加碳质气体的化学气相渗透/化学气相沉积(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、或它们的组合。在一些示例中，经由CVI/CVD施加碳质气体以使纤维预制件100致密化可以基本上在真空空间(例如，具有小于100托(例如，13.33kPa)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。在一些示例中，在施加CVI/CVD气体期间，可将包括纤维预制件100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。
在一些示例中，轴向纤维104可增加碳质气体向纤维预制件100中的渗透。例如，与具有相对较低百分比的轴向纤维的预制件相比，相对于总纤维103具有更大百分比的轴向纤维104的纤维预制件100可具有更好的碳质气体渗透。碳质气体的更好渗透可改善最终密度和/或减少期望致密化所需的总时间。
在其他示例中，纤维预制件100可使用其他合适的技术致密化(706)，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(706)可制备致密化的C-C复合材料基底，其具有约1.60g/cc至约1.95g/cc，诸如约1.65g/cc至约1.85g/cc的最终密度。
在一些示例中，在热解(704)或者部分或完全致密化(706)中的任一者之前或之后，纤维预制件100可被分割成具有所选择的厚度的多个节段。例如，可使用任何合适的切割方法将纤维预制件100切割成多个节段，在一些示例中，该多个节段随后可被热解或致密化。
在一些示例中，在纤维预制件100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期望形状，诸如最终制动盘形状。例如，C-C复合材料基底可以以具有最终厚度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。附加地或另选地，此时可形成凸耳槽72。
在一些示例中，在致密化(706)之后，该技术可以包括将一个或多个涂层施加到盘式制动器38。例如，该技术可包括向盘式制动器38施加抗氧化剂涂层，诸如基于磷的渗透剂系统和/或屏障系统。在一些示例中，一个或多个涂层可以改善盘式制动器38的性能和/或改善盘式制动器38的使用寿命。
以下条款示出了本文所述的示例性主题。
条款1.一种纤维预制件，所述纤维预制件限定沿着中心纵向轴线延伸的环，所述纤维预制件包括：多个层，所述多个层相对于所述纵向轴线沿轴向方向和周向方向延伸，其中所述多个层中的每个层包括多根细长纤维，所述多根细长纤维包括：多根细长轴向纤维，该多根细长轴向纤维基本上沿轴向方向延伸；和多根细长周向纤维，该多根细长周向纤维基本上沿所述周向方向延伸，其中所述多根细长纤维的至少40％基本上沿所述轴向方向延伸；和多根径向纤维，该多根径向纤维相对于所述纵向轴线基本上沿所述径向方向延伸，其中所述多根径向纤维机械地粘结所述多个层中的一个或多个相邻层。
条款2.根据条款1所述的纤维预制件，其中所述多根细长纤维中的至少40％沿所述周向方向延伸。
条款3.根据条款1或2所述的纤维预制件，其中纤维预制件中的所述纤维的少于20％沿所述径向方向延伸。
条款4.根据条款1至3中任一项所述的纤维预制件，其中所述多根纤维的体积为所述纤维预制件的总体积的约15％至约50％。
条款5.根据条款1至4中任一项所述的纤维预制件，其中所述多根细长纤维包括连续的细长纤维。
条款6.根据条款1至5中任一项所述的纤维预制件，其中所述多个层中的每个层包括具有连续纤维织物的第一层和具有非织造纤维织物的第二层。
条款7.根据条款6所述的纤维预制件，其中所述非织造纤维织物包括多个幅材纤维。
条款8.根据条款1至7中任一项所述的纤维预制件，其中所述多个层中的每个层包括双层织物。
条款9.根据条款1至8中任一项所述的纤维预制件，其中所述多根细长纤维包括多根细长碳纤维。
条款10.根据条款1至9中任一项所述的纤维预制件，其中所述环包括：内部径向节段，所述内部径向节段包括所述多个层中的限定内部预制件直径的至少内层，所述内部径向节段具有沿所述径向方向延伸的所述多根细长纤维中的第一百分比的纤维；外部径向节段，所述外部径向节段包括所述多个层中的限定外部预制件直径的至少外层，所述外部径向节段具有沿所述径向方向延伸的所述多根细长纤维中的第二百分比的纤维；和中心径向节段，该中心径向节段介于所述内部径向节段和所述外部径向节段之间，所述中心径向节段具有沿所述径向方向延伸的所述多根细长纤维中的第三百分比的纤维，
其中所述第一百分比或所述第二百分比中的至少一者大于所述第三百分比。
条款11.根据条款1至10中任一项所述的纤维预制件，其中所述多个层包括30层至520层。
条款12.根据条款1至11中任一项所述的纤维预制件，其中所述纤维预制件的厚度为约2.54厘米至约7.62厘米。
13.一种纤维预制件，所述纤维预制件限定沿着中心纵向轴线延伸的圆筒，所述纤维预制件包括：多个纤维层，所述多个纤维层相对于所述圆筒沿轴向方向和周向方向延伸，其中所述多个层中的每个层包括织造织物，所述织造织物包括：多根细长轴向纤维，该多根细长轴向纤维基本上沿所述轴向方向延伸；和多根细长轴向纤维，该多根细长轴向纤维基本上沿所述周向方向延伸，其中所述织造织物中的纤维的至少40％基本上沿所述轴向方向延伸；和多根径向纤维，该多根径向纤维相对于所述圆筒基本上沿所述径向方向延伸，其中所述多根细长径向纤维机械地粘结所述多个层中的一个或多个相邻层。
条款14.一种碳-碳复合材料盘式制动器，所述碳-碳复合材料盘式制动器限定沿着中心纵向轴线延伸的环，所述碳-碳复合材料盘式制动器包括：多个层，所述多个层相对于所述纵向轴线沿轴向方向和周向方向延伸，其中所述多个层中的每个层包括多根细长碳纤维，所述多根细长碳纤维包括：多根细长轴向纤维，该多根细长轴向纤维基本上沿所述轴向方向延伸；和多根细长周向纤维，该多根细长周向纤维基本上沿所述周向方向延伸，其中所述多根细长纤维的至少40％基本上沿所述轴向方向延伸；和多根径向碳纤维，该多根径向碳纤维相对于所述纵向轴线基本上沿所述径向方向延伸，其中所述多根径向碳纤维机械地粘结所述多个层中的一个或多个相邻层。
条款15.根据条款14所述的碳-碳复合材料盘式制动器，其中所述多根细长纤维中的至少40％沿所述周向方向延伸。
条款16.根据条款14或15所述的碳-碳复合材料盘式制动器，其中纤维预制件中的所述纤维的少于20％沿所述径向方向延伸。
条款17.根据条款14至16中任一项所述的碳-碳复合材料盘式制动器，其中所述多根纤维的体积与所述纤维预制件的体积的百分比为约15％至约50％。
条款18.根据条款14至17中任一项所述的碳-碳复合材料盘式制动器，其中所述多根细长碳纤维包括连续的细长碳纤维。
条款19.根据条款14至18中任一项所述的碳-碳复合材料盘式制动器，其中所述多个层中的每个层包括具有连续碳纤维织物的第一层和具有非织造碳纤维织物的第二层。
条款20.根据条款14至19中任一项所述的碳-碳复合材料盘式制动器，其中所述环包括：内部径向节段，所述内部径向节段包括所述多个层中的限定内部预制件直径的至少内层，所述内部径向节段具有沿所述径向方向延伸的所述多根细长碳纤维中的第一百分比的碳纤维；外部径向节段，所述外部径向节段包括所述多个层中的限定外部预制件直径的至少外层，所述外部径向节段具有沿所述径向方向延伸的所述多根细长碳纤维中的第二百分比的碳纤维；和中心径向节段，该中心径向节段介于所述内部径向节段和所述外部径向节段之间，所述中心径向节段具有沿所述径向方向延伸的所述多根细长碳纤维中的第三百分比的碳纤维，其中所述第一百分比或所述第二百分比中的至少一者大于所述第三百分比。
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)

1.一种纤维预制件，所述纤维预制件限定沿着中心纵向轴线延伸的环，所述纤维预制件包括：
多个层，所述多个层相对于所述纵向轴线沿轴向方向和周向方向延伸，其中所述多个层中的每个层包括多根细长纤维，所述多根细长纤维包括：
多根细长轴向纤维，所述多根细长轴向纤维基本上沿所述轴向方向延伸；和
多根细长周向纤维，所述多根细长周向纤维基本上沿所述周向方向延伸，
其中所述多根细长纤维的至少40％基本上沿所述轴向方向延伸；和
多根径向纤维，所述多根径向纤维相对于所述纵向轴线基本上沿所述径向方向延伸，其中所述多根径向纤维机械地粘结所述多个层中的一个或多个相邻层。
2.根据权利要求1所述的纤维预制件，其中所述多根细长纤维中的至少40％沿所述周向方向延伸。
3.根据权利要求1所述的纤维预制件，其中所述纤维预制件中的纤维的少于20％沿所述径向方向延伸。
4.根据权利要求1所述的纤维预制件，其中所述多根纤维的体积为所述纤维预制件的总体积的约15％至约50％。
5.根据权利要求1所述的纤维预制件，其中所述多根细长纤维包括连续的细长纤维。
6.根据权利要求1所述的纤维预制件，其中所述多个层中的每个层包括具有连续纤维织物的第一层和具有非织造纤维织物的第二层。
7.根据权利要求1所述的纤维预制件，其中所述环包括：
内部径向节段，所述内部径向节段包括所述多个层中的限定内部预制件直径的至少内层，所述内部径向节段具有沿所述径向方向延伸的所述多根细长纤维中的第一百分比的纤维；
外部径向节段，所述外部径向节段包括所述多个层中的限定外部预制件直径的至少外层，所述外部径向节段具有沿所述径向方向延伸的所述多根细长纤维中的第二百分比的纤维；和
中心径向节段，所述中心径向节段介于所述内部径向节段和所述外部径向节段之间，所述中心径向节段具有沿所述径向方向延伸的所述多根细长纤维中的第三百分比的纤维，
其中所述第一百分比或所述第二百分比中的至少一者大于所述第三百分比。
8.一种纤维预制件，所述纤维预制件限定沿着中心纵向轴线延伸的圆筒，所述纤维预制件包括：
多个纤维层，所述多个纤维层相对于所述圆筒沿轴向方向和周向方向延伸，其中所述多个层中的每个层包括织造织物，所述织造织物包括：
多根细长轴向纤维，所述多根细长轴向纤维基本上沿所述轴向方向延伸；和
多根细长周向纤维，所述多根细长周向纤维基本上沿所述周向方向延伸，
其中所述织造织物中的纤维的至少40％基本上沿所述轴向方向延伸；和
多根径向纤维，所述多根径向纤维相对于所述圆筒基本上沿所述径向方向延伸，其中所述多根细长径向纤维机械地粘结所述多个层中的一个或多个相邻层。
9.一种碳-碳复合材料盘式制动器，所述碳-碳复合材料盘式制动器限定沿着中心纵向轴线延伸的环，所述碳-碳复合材料盘式制动器包括：
多个层，所述多个层相对于所述纵向轴线沿轴向方向和周向方向延伸，其中所述多个层中的每个层包括多根细长碳纤维，所述多根细长碳纤维包括：
多根细长轴向纤维，所述多根细长轴向纤维基本上沿所述轴向方向延伸；和
多根细长周向纤维，所述多根细长周向纤维基本上沿所述周向方向延伸，
其中所述多根细长纤维的至少40％基本上沿所述轴向方向延伸；和
多根径向碳纤维，所述多根径向碳纤维相对于所述纵向轴线基本上沿所述径向方向延伸，其中所述多根径向碳纤维机械地粘结所述多个层中的一个或多个相邻层。
10.根据权利要求9所述的碳-碳复合材料盘式制动器，其中所述碳-碳复合材料盘式制动器包括根据权利要求2至6中任一项所述的纤维预制件。
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