CN115872765A - 用于制造用于盘式制动器的复合纤维预制件的方法 - Google Patents
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Abstract
一种示例性方法包括在碳纤维织物上形成中间层以形成复合纤维织物。该中间层包含粘合剂。该方法还包括围绕芯卷绕该复合纤维织物以形成复合纤维预制件，该复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层。该方法还包括使该复合纤维预制件致密化。
Description
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行器制动衬块或盘的制造。
背景技术
碳-碳复合材料是包括碳基质和碳纤维增强材料的复合材料。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，本公开描述了一种方法，该方法包括将中间层和碳纤维织物组合，其中中间层包括高度取向的经研磨碳纤维层片，该碳纤维层片包括多个平面外碳纤维；围绕芯卷绕所述中间层和所述碳纤维织物以形成复合纤维预制件，所述复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层；以及使所述复合纤维预制件致密化。
在一些示例中，本公开描述了一种复合纤维预制件，该复合纤维预制件包括碳纤维织物；和中间层，所述中间层包括高度取向的经研磨碳纤维层片，所述碳纤维层片包括多个平面外碳纤维，其中所述中间层和所述碳纤维织物围绕芯卷绕以形成复合纤维预制件，所述复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层，其中所述中间层和所述碳纤维织物至少部分地致密化。
在一些示例中，本公开描述了一种系统，该系统包括织物源，该织物源包括碳纤维织物；中间层源，所述中间层源包括中间层，所述中间层包括多个平面外碳纤维；和卷绕设备，该卷绕设备被构造成围绕芯卷绕碳纤维织物和中间层以形成复合纤维预制件，并且限定沿中心纵向轴线延伸的环，该复合纤维预制件包括：多个碳纤维织物层，该多个碳纤维织物层在平行于纵向轴线的轴向方向以及垂直于径向方向和轴向方向两者的周向方向上延伸，其中多个碳纤维织物层中的每一者包括基本上平行于轴向方向和周向方向取向的多个细长碳纤维；和多个中间层，所述多个中间层在平行于所述纵向轴线的轴向方向以及垂直于所述径向方向和所述轴向方向两者的周向方向上延伸，其中中间层的所述多个平面外碳纤维基本上平行于所述径向方向取向并且被构造成机械地粘结一个或多个相邻碳纤维织物层。
在一些示例中，本公开描述了一种方法，该方法包括：在碳纤维织物上形成中间层以形成复合纤维织物，其中该中间层包含粘合剂；围绕芯卷绕所述复合纤维织物和中间层以形成复合纤维预制件，所述复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层；以及使所述复合纤维预制件致密化。
在另一个示例中，本公开描述了一种复合纤维预制件，该复合纤维预制件包括：多个碳纤维织物层，该多个碳纤维织物层围绕纵向轴线周向地卷绕并且在平行于纵向轴线的轴向方向上延伸，其中多个碳纤维织物层中的每一者包括多个细长碳纤维；和多个中间层，所述多个中间层围绕所述纵向轴线周向地卷绕并且在所述轴向方向上延伸，其中所述多个中间层中的每一者设置在所述多个碳织物层的连续层之间，并且包含被构造成机械地粘结一个或多个相邻碳纤维织物层的粘合剂。
在另一个示例中，本公开描述了一种系统，该系统包括：织物源，该织物源包括碳纤维织物；中间层源；和卷绕设备，该卷绕设备被构造成围绕芯卷绕碳纤维织物和中间层以形成复合纤维预制件，并且限定沿中心纵向轴线延伸的环，该纤维预制件包括：多个碳纤维织物层，该多个碳纤维织物层在平行于纵向轴线的轴向方向以及垂直于径向方向和轴向方向两者的周向方向上延伸，其中多个碳纤维织物层中的每一者包括多个细长碳纤维；和多个中间层，所述多个中间层在平行于所述纵向轴线的轴向方向和垂直于所述径向方向和所述轴向方向两者的周向方向上延伸，其中所述中间层包含被构造成机械地粘结一个或多个相邻碳纤维织物层的粘合剂。
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是示出示例性轮和制动器组件的概念图，该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制动盘中的一个或多个制动盘。
图2是限定内径(ID)和外径(OD)两者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复合纤维预制件的示意性透视图。
图3B是如图3A所指示的复合纤维预制件的一部分的局部横截面。
图3C是可用于制造本文所述的复合摩擦材料的复合纤维预制件的横截面。
图4A是示出用于制造图3A的复合纤维预制件的示例性系统的概念图。
图4B是示出用于制造图3A的复合纤维预制件的另一示例性系统的概念图。
图5A是可用于制造本文所述的复合摩擦材料的示例性中间层的横截面。
图5B是可用于制造本文所述的复合摩擦材料的另一示例性中间层的横截面。
图5C是可用于制造本文所述的复合摩擦材料的另一示例性中间层的横截面。
图6A和图6B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7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8是示出制造复合纤维预制件的示例性技术的流程图。
图9是示出制造复合纤维预制件的另一示例性技术的流程图。
具体实施方式
在一些示例中，本公开描述了复合摩擦材料和制造复合摩擦材料的方法，该复合摩擦材料可用于例如形成碳-碳复合材料制动盘或其他碳-碳复合材料制动衬块。制造碳-碳复合摩擦材料的方法可包括将基于碳纤维的织物和中间层卷绕在芯或芯轴上以形成复合纤维预制件。复合纤维预制件的层可按同心层布置，例如，卷绕成沿中心纵向轴线延伸的环和/或圆筒。该层内的碳纤维(例如，另选地通篇仅称为“纤维”)可主要在卷绕圆筒的轴向方向和周向方向上取向。
复合摩擦材料(诸如复合材料飞行器制动衬块)可在制动操作期间磨损。在飞行器制动器的示例中，增加制动衬块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，降低制动衬块的磨损率可能是有益的。复合材料制动衬块中的纤维取向可影响磨损率和热导率。在一些示例中，用于形成呈环形制动盘形式的复合材料飞行器制动衬块的预制件可以包括径向和弦向(例如，周向)纤维织物区段的交替层，使得大部分纤维位于制动盘的径向方向和周向方向上，例如，基本上在垂直于环形盘的轴向方向的平面内。针刺预制件的纤维区段可用于在轴向方向上引入相对低百分比的纤维。通常，针刺或簇绒用于在轴向压实状态下提供机械稳定性以用于在后续步骤中处理并提供足够的纤维体积分数。
使复合摩擦材料的相对大量的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，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，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，以及/或者潜在地减少CVI/CVD循环的次数以实现所需的密度。
根据本公开的技术，中间层可以例如经由卷绕设备与碳纤维织物一起围绕芯卷绕以及/或者卷绕到芯轴上，以形成预制件。如将描述的，中间层的使用可以在预制件内在径向方向上在连续绕组和/或层之间提供附接和/或粘附，例如，以便提供卷绕织物的期望的机械稳定性。在一些示例中，可选择中间层以提供期望的径向取向的纤维含量，从而提供卷绕织物的期望的中间层附接和/或机械稳定性，例如，这可消除或减少对预制件的针刺/簇绒的需要。在其他示例中，可选择中间层以提供期望的粘结和/或粘附力，从而提供卷绕织物的期望的机械稳定性。可选择碳织物以在卷绕期间例如通过控制张力进行加固，从而增加预制件内的纤维体积分数。另外，碳纤维织物还可包括相对更均匀地分散的纤维，例如相对于在丝束中成束的常规碳纤维织物。纤维的相对更均匀的分散可改善后续处理步骤中预制件的浸润/致密化。
在本文公开的示例性方法和系统中，可通过将中间层和碳纤维织物组合来形成复合纤维预制件。中间层可包括高度取向的经研磨碳纤维层片，其包括多个平面外(或在卷绕时径向的)碳纤维。中间层和碳纤维织物可围绕芯卷绕以形成复合纤维预制件，该复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层。然后可将复合纤维预制件致密化。
在一些示例中，碳层片可从剥离层片沉积到碳纤维织物上。例如，碳层片可以在卷绕之前设置在剥离层片上，并且在卷绕期间，可将剥离层片与碳纤维织物合并以将高度取向的经研磨碳纤维沉积在碳纤维织物的表面上。随后，可例如在卷绕碳层片和碳纤维织物之前移除剥离层片背衬。在一些示例中，碳纤维织物可包括碳毡，如下文进一步描述的。
在另一个示例中，中间层可包含粘合剂而不是碳纤维层片。中间层(例如，粘合剂)可形成在碳纤维织物上以形成复合纤维织物。复合纤维织物(例如，碳纤维织物和粘合剂)可围绕芯卷绕以形成复合纤维预制件，该复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层。然后，复合纤维预制件可被致密化。
在一些示例中，多个纳米颗粒可与粘合剂组合或包含在粘合剂中。多个纳米颗粒可以为碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯纳米片等。粘合剂可包括被构造成粘结和/或引起复合纤维织物的连续绕组粘附的任何合适的粘合剂。在一些示例中，粘合剂可以为树脂、热固性树脂、酚醛树脂等。在一些示例中，粘合剂可被构造成包含纳米颗粒和/或与纳米颗粒混合。可以干燥涂层、干粉、溶液的形式或以任何合适的沉积方法，将任选地包含多个纳米颗粒的粘合剂沉积在碳纤维织物上。
图1是示出示例性轮和制动器组件10的概念图，该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制动衬块或盘中的一个或多个制动衬块或盘。为了便于描述，将主要关于呈制动盘形式的复合摩擦材料来描述本公开的示例，该制动盘可用于飞行器制动组件，如图1所示的。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其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、胎圈座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通过键齿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、商用或军用飞行器或其他类型的车辆。
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机械地附连到轮毂20。车轮12限定胎圈密封件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胎圈密封件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。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连接到该车辆。
在车辆运行期间，可能需要不时地进行制动，诸如在飞行器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向车辆提供制动功能。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可提供用于制动飞行器的相对摩擦表面。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。
转子制动盘36和定子制动盘38可以为碳-碳复合材料制动衬块的示例。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和键齿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分离并机械地附连到轮毂，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键齿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。
如下文将进一步描述的，制动盘36、38中的一个或多个制动盘可以为使用本文所述的一种或多种技术形成的碳-碳复合材料。在一些示例中，制动盘36、38可例如在进一步处理(诸如致密化、碳化和/或其他处理步骤)之后经由以卷的形式分割复合碳纤维预制件来形成。例如，复合碳纤维预制件可通过卷绕碳纤维织物来形成，使得碳纤维织物的平面内纤维在分割之后在制动盘36、38的轴向-周向平面中重新取向。
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可以为图1的类似编号的制动盘38的示例。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。对于转子制动盘36，凸耳槽72将沿着环的外径OD沿着外部径向节段76出现。转子制动盘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，与在周向方向或径向方向上取向的纤维相比，在轴向方向上(相对于周向方向或径向方向)取向的C-C复合材料的纤维可在摩擦表面70之间和/或朝向制动盘38的芯(例如，在轴向方向上远离摩擦表面70)传导更多热量。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，损坏保护性涂层以及/或者减少制动盘38的使用寿命。这样，可选择制动盘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，则合力可在大致横向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。可选择制动盘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。
根据本文所描述的一些技术，定子制动盘38可例如在进一步处理(诸如致密化、碳化和/或其他处理步骤)之后经由以卷的形式分割复合碳纤维预制件来形成。例如，复合碳纤维预制件可经由卷绕碳纤维织物来形成，使得碳纤维织物的平面内纤维在分割之后处于定子制动盘38的轴向-周向平面中。
图3A是可根据本文所公开的技术形成且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)的示例性复合纤维预制件100的示意性透视图。图3B是复合纤维预制件100的局部横截面(横截面在图3A中指示)。图3C是沿其轴线(例如中心纵向轴线110)观察的复合纤维预制件100的横截面，包括压实层312和芯310。复合纤维预制件100限定沿中心纵向轴线110延伸(例如，平行于z轴延伸)的环。复合纤维预制件100包括多个叠加的纤维层102(“层102”)和中间层(“层103”)。层102和中间层103相对于纵向轴线在轴向方向“A”和周向方向“C”上延伸。如图3B所示，层102包括围绕纵向轴线110卷绕的层102A-102E，并且中间层103包括围绕纵向轴线110卷绕并且设置在如图所示的相应层102之间的中间层103A-103D。例如，可将层102和中间层103组合并围绕纵向轴线110例如以连续螺旋方式连续卷绕。在其他示例中，层102和中间层103可包括离散环。如下所述，层102可包括碳纤维或碳前体纤维，并且层102可被称为碳纤维织物层。
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，中间层103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”)引入到复合纤维预制件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可增加复合纤维预制件100和/或由复合纤维预制件100形成的制动盘38的层间剪切强度。附加地或另选地，中间层和所得径向纤维108可以例如经由在卷绕期间张紧中间层103来部分地压缩层102，以形成与包括类似数量的尚未压缩的层102的预制件相比更紧凑的复合纤维预制件100。压实可增加预制件100的碳纤维的纤维体积分数。
虽然本文所述的一些附图示出用于形成相应纤维预制件的相对较少数量的层，但是由本文所述的技术而生产的预制件(例如，复合纤维预制件100)可包括任何合适数量的层102和中间层103以产生所得预制件的期望外径OD。例如，每个层102和/或中间层103可具有在径向方向上测量的约1毫米(mm)至约2mm的厚度。在一些示例中，每个层102和/或中间层103可具有与约1mm至约2mm不同的厚度，并且/或者可具有彼此不同的厚度。一旦完成，复合纤维预制件100就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，复合纤维预制件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)，并且复合纤维预制件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(或其他碳化)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xy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，复合纤维预制件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，复合纤维预制件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，这取决于复合纤维预制件100是否旨在分别形成为转子制动盘36或定子制动盘38。在一些示例中，与纤维预制件100的其他区域相比，预制件100的在凸耳槽72(例如具有约3英寸(例如，约7.62cm)的凸耳槽72)处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复合纤维预制件100，或者可在复合纤维预制件100已经历后续碳化(例如，热解)和致密化过程中的一些或全部之后引入以将复合纤维预制件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。
轴向纤维104、周向纤维106和径向纤维108可包括碳纤维、被构造成随后碳化(例如，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、沥青纤维等。
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可以呈织物的形式。例如，层102可以呈织造织物、针织织物、单向缝编织物等的形式。
在一些示例中，层102可以呈毡(例如碳毡)的形式。可选择碳毡以在卷绕期间例如通过控制张力进行加固。另外，碳毡可包括碳纤维，碳纤维可以比纤维丝束更均匀地分散，这可改善后续加工步骤中预制件的浸润/致密化。在一些示例中，毡(例如，层102)可以为非织造碳毡，并且可包括梳理成网、交叉错叠和针刺的O-PAN短纤维，其在梳理成网、交叉错叠和针刺之前最初可相对较短。毡还可以热处理，这可将O-PAN纤维的至少一部分转化为碳。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。
由于上述示例中的任一者中的卷绕工艺，径向纤维108与对齐的轴向纤维104和/或周向纤维106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组合层102和中间层103，但不会使对齐的纤维在后续处理中分离或裂开。与仅包括平面内纤维的碳纤维织物、碳毡、双层织物等的层相比，所得碳纤维预制件100可以更耐用，更好地保持其形状，并且总体上更容易进一步制造。
径向纤维108和平面内纤维104、106两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，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。
在一些示例中，复合纤维预制件100可任选地围绕复合纤维预制件100的外径卷绕有压实层312，并且可以包括芯310，如图3C所示。压实层312可被构造成维持复合纤维预制件100的压实，并且可包括长丝卷绕碳丝束。在一些示例中，层102和103中的每一者可提供压实，并且可被称为压实层。例如，可引起每个层102和/或103的压实力，并且当该层围绕芯310或芯轴卷绕时，与该层上的张力成比例。在一些示例中，每个层的纤维体积也可受到在层102和/或103卷绕时该层上的张力的影响和/或控制。例如，张力可能需要随复合纤维预制件100的半径变化而减小，以维持恒定的纤维体积。相反，层102和/或103上的张力随复合纤维预制件100的半径变化而恒定可导致随复合纤维预制件100的半径变化(例如，从复合纤维预制件100的内径到外径)的纤维体积梯度。换句话说，可通过控制层102和/或103在其卷绕时的张力来控制随复合纤维预制件100的半径变化的复合纤维预制件100的纤维体积。
在一些示例中，芯310可支撑复合纤维预制件100的内径并且可包括长丝卷绕碳丝束。在一些示例中，芯310可以从复合纤维预制件312移除，或者可以与碳纤维预制件100成一整体、包括在该碳纤维预制件中以及/或者是该碳纤维预制件的一部分。在一些示例中，芯312可被构造成联接到芯轴，例如，以便卷绕碳纤维预制件100。在一些示例中，可将复合纤维预制件100热循环以使芯310、复合纤维预制件100或压实层312中的至少一者硬化。
图4A是示出用于制造复合纤维预制件100的示例性系统400的概念图。系统400包括织物源402和中间层源404。在所示的示例中，织物源402包括卷绕成卷的一定长度的碳纤维织物412，并且中间层源404包括卷绕成卷的一定长度的中间层414。系统400被构造成将碳纤维织物412和中间层414卷绕和/或组合成复合纤维预制件100。
纤维预制件被构造成将碳织物414和中间层412卷绕成复合纤维预制件100。复合纤维预制件100可以围绕芯410卷绕，芯可以在轴向方向上沿中心纵向轴线延伸。在一些示例中，复合纤维预制件100可联接到马达(未示出)。马达可被构造成可控制地旋转芯410以将来自织物源402的碳纤维织物412和来自中间层源404的中间层414围绕芯410卷绕，从而形成复合纤维预制件100。在一些示例中，马达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410的旋转速度。
在一些示例中，芯410可包括可被加热到约1900℃和约2500℃之间的材料。例如，芯410可包括石墨芯轴。在一些示例中，芯410可包括可移除地附接到金属棒的石墨环。在一些示例中，芯410可从复合纤维预制件100移除，例如，在卷绕纤维预制件之后和/或在一个或多个后续致密化和/或加固工序之后。
织物源402可以为围绕芯420卷绕的碳纤维织物412的卷。织物源402可以为碳纤维织物412的卷，其包括包含平面内碳纤维的材料，例如平面内碳纤维织物、纤维丝束织物的卷、碳毡和/或基于碳的毡等。碳纤维织物412可以为上述层102的示例。芯420可联接到张紧器(未示出)，例如张力杆、一个或多个轧辊、电动马达或制动系统，其被构造成当芯410旋转时在碳纤维织物412上提供所选择的张力以将来自织物源402的碳纤维织物412卷绕到复合纤维预制件100上。附加地或另选地，系统400可包括一个或多个张紧辊416(例如，轧辊、惰轮、可调节和/或可平移惰轮、幅材转向辊等)，其被构造成当芯410旋转时在碳纤维织物412上提供所选择的张力，以将碳纤维织物412卷绕到复合纤维预制件100上。在一些示例中，所选择的张力可影响纤维预制件100的密度，例如相对于复合纤维预制件100的总体积和/或密度的平面内纤维体积和/或密度(例如，轴向纤维104和/或周向纤维106)。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，可选择张力以产生相对于复合纤维预制件100的总体积和/或密度的所选择的纤维体积和/或密度。例如，可选择张力以使平面内纤维体积相对于复合纤维预制件100的总体积的百分比在约15％至约50％之间，诸如约22％至约25％。
中间层源404可以是围绕芯430卷绕的中间层414的长度。中间层414可包括沉积在载体418上的多个径向纤维408，该载体围绕芯430卷绕以形成中间层源404。中间层414可以为中间层103的示例，并且径向纤维408可以基本上类似于上述径向纤维108。中层间414可包括径向纤维408，该径向纤维包括多个平面外和/或“径向”取向的碳纤维，例如，与中间层414的“厚度”或最短尺寸平行取向。在一些示例中，中间层414可以为设置在载体418上的高度取向的经研磨碳纤维层片，例如可移除的背衬、剥离层片或任何其他合适的载体材料。例如，中间层414可包括径向纤维408，该径向纤维为高度取向的，例如，其长尺寸沿基本上垂直于载体材料表面的方向。在一些示例中，基本上所有(大约100％)的径向纤维408具有基本上垂直于载体材料的表面的长尺寸，例如，如下图5C所示。在一些示例中，基本上所有(大约100％)的径向纤维408具有与载体材料的表面成大于或等于45度取向的长尺寸(例如，径向纤维408基本上全部在与载体材料的表面法线成+/-45度内(或等于+/-45度)取向，如下图5B所示)。在一些示例中，中间层414的径向厚度可由径向纤维408的平均长度限定。在一些示例中，径向纤维408的平均长度为约150微米。在一些示例中，中间层414可包括径向纤维408，该径向纤维可具有不同的特性，或者可与例如碳纤维织物412的平面内碳纤维不同地处理。例如，碳纤维织物412可在没有拉伸控制的情况下进行热处理，而高度取向的经研磨碳纤维层片可在拉伸控制的情况下进行热处理。
芯430可联接到张紧器(未示出)，例如，电动马达或制动系统，其被构造成当芯410旋转时在径向纤维源404上提供所选择的张力，以将径向纤维408卷绕到复合纤维预制件100上。附加地或另选地，系统400可包括一个或多个张紧辊416(例如，轧辊、惰轮、可调节和/或可平移惰轮、幅材转向辊等)，其被构造成当芯410旋转时在径向纤维408(或径向纤维408设置于其上的幅材材料或可移除背衬材料)上提供所选择的张力，以将径向纤维408卷绕到复合纤维预制件100上。在一些示例中，所选择的张力可影响纤维预制件100的密度，例如相对于复合纤维预制件100的总体积和/或密度的纤维体积和/或密度。例如，与较小的张力相比，在卷绕期间较大的张力可能导致纤维预制件100更致密，并且延伸到预制件100的邻近碳纤维织物412层中的径向纤维408的量/长度增加。在一些示例中，可选择张力以产生相对于复合纤维预制件100的总体积和/或密度的所选择的径向纤维408体积和/或密度。
在一些示例中，通过卷绕到预制件100上将碳纤维织物412和中间层414组合可引入多个径向纤维408，该径向纤维在预制件100的径向方向上延伸并延伸到碳纤维织物412中的一个或多个层中，例如延伸到相邻的平面内纤维织物层412中。在一些示例中，可控制碳纤维织物412和中间层414中的一者或两者的张力以在复合纤维预制件100的所选区域中提供所选择量的径向纤维408。例如，在预制件100的内部径向节段的卷绕期间，相对于中心径向节段(例如，相对于图3A的宽度W的中心)，碳纤维织物412的第一张力和中间层414的第一张力可提供更大量的径向纤维408或在一个或多个碳纤维织物412层内延伸的径向纤维408的更大长度，该中心径向节段在碳纤维织物412的第二张力和/或中间层414的第二张力下卷绕(例如，该张力中的每一者均可独立地变化或以任何组合变化以增加或减少径向纤维408的量和/或径向纤维408在相邻层内延伸的长度量)。类似地，在预制件100的外部径向节段的卷绕期间，碳纤维织物412的第三张力和/或中间层414的第三张力可提供更大量的径向纤维408或在一个或多个相邻层内延伸的径向纤维408的更大长度。以此方式，复合纤维预制件100可形成为相对于轴向纤维104和/或周向纤维106具有所选择的量(例如，百分比)的径向延伸纤维408或在一个或多个碳纤维织物412层内延伸的径向纤维408的所选择的长度。
图4B是示出用于制造复合纤维预制件100的示例性系统450的概念图。系统450包括织物源452和涂布机454。系统450被构造成在碳纤维织物462上形成中间层464以形成复合纤维织物470并卷绕复合纤维织物470以形成复合纤维预制件100。
复合纤维预制件100可以围绕芯410卷绕，芯可以在轴向方向上沿中心纵向轴线延伸。在一些示例中，复合纤维预制件100可联接到马达(未示出)。马达可被构造成可控制地围绕芯410卷绕来自织物源452的织物以形成复合纤维预制件100。在一些示例中，马达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410的旋转速度。
在一些示例中，芯410可包括可被加热至约1900℃和约2500℃之间的材料，如上所述。例如，芯410可包括石墨芯轴。在一些示例中，芯410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452可以为围绕芯420卷绕的碳纤维织物462的卷。碳纤维织物462可包括包含平面内碳纤维的材料，例如纤维丝束织物的卷、碳毡、碳针织织物、聚丙烯腈(PAN)纤维、氧化的PAN纤维(如
)等。碳纤维织物462可以为上述层102的示例。芯420可联接到张紧器(未示出)，例如，张力杆、一个或多个轧辊、电动马达或制动系统，其被构造成当芯410旋转时在源织物452上提供所选择的张力，以将来自织物源452的织物卷绕到复合纤维预制件100上。附加地或另选地，系统450可包括一个或多个张紧辊466(例如，轧辊、惰轮、可调节和/或可平移惰轮、幅材转向辊等)，其被构造成当芯410旋转时在碳纤维织物462上提供所选择的张力，以将碳纤维织物462卷绕到复合纤维预制件100上。在一些示例中，所选择的张力可影响纤维预制件100的密度，例如相对于复合纤维预制件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，可选择张力以产生相对于复合纤维预制件100的总体积的所选择的纤维体积。例如，可选择张力以使纤维体积相对于复合纤维预制件100的总体积的百分比在约1％至约50％之间，诸如约15％至约25％之间。
涂布机454可被构造成在碳纤维织物412的表面上涂覆或以其他方式沉积形成中间层464的材料。中间层464可包含粘合剂459，并且任选地包含在粘合剂459内混合的多个纳米颗粒458。在一些示例中，涂布机454可以为被构造成将粘合剂459沉积到碳纤维织物462的表面上的料斗。例如，粘合剂459可以为粘合剂材料的干粉，并且料斗可被构造成将干燥粘合剂沉积到碳纤维织物462上。在一些示例中，粘合剂459可包含纳米颗粒458，例如与粘合剂459预混合。在其他示例中，料斗可被构造成接收纳米颗粒458并将其与粘合剂459混合，并将粘合剂459与纳米颗粒458沉积到碳纤维织物462上。在其他示例中，涂布机454可包括多于一个料斗，并且第一料斗可被构造成将粘合剂459或纳米颗粒458沉积到碳纤维织物462上，并且例如在碳纤维织物462卷绕期间的移动方向上，第二下游料斗可被构造成将其他纳米颗粒458或粘合剂459沉积到碳纤维织物上以混合并形成中间层464。在一些示例中，涂布机454可被构造成将粘合剂溶液沉积到碳纤维织物462的表面上。例如，粘合剂459可与溶剂(诸如有机溶剂、甲乙酮(MEK)、丙酮或任何合适的溶剂)混合以形成粘合剂溶液，并且涂布机454可被构造成用粘合剂溶液涂覆和/或喷涂碳纤维织物462的表面。粘合剂溶液可在涂覆到碳纤维织物462上之前与纳米颗粒458进一步混合。在一些示例中，无论是以干燥粘合剂形式沉积还是以粘合剂溶液形式涂覆，粘合剂459占干燥碳纤维织物462的重量百分比(重量％)可介于约10重量％至约30重量％之间。在一些示例中，当添加到干燥粘合剂或粘合剂溶液中时，纳米颗粒458占粘合剂459的重量百分比(重量％)可介于约2重量％至约10重量％之间。
粘合剂459可包括树脂、热固性树脂、酚醛树脂、粘结剂等。粘合剂459可具有约100摄氏度至约280摄氏度的固化温度范围和碳化期间的高碳产率。在一些示例中，粘合剂459可以为酚醛树脂，例如，来自俄亥俄州哥伦布市的瀚森公司(Hexion Inc.of Columbus,OH)的Durite和Bakelite或Borden树脂。
在一些示例中，无论是以干燥粘合剂形式沉积还是以粘合剂溶液形式涂覆，并且无论是否含有纳米颗粒458，粘合剂459和碳纤维织物462均可在卷绕之前被压缩以形成复合纤维预制件100。例如，轧辊466可被构造成压缩粘合剂459和碳纤维织物462，并且/或者压辊468可被构造成压缩粘合剂459和碳纤维织物462。粘合剂溶液可例如在卷绕之前或之后干燥，并且粘合剂459(无论是呈干燥形式还是以溶液形式，并且无论是否含有纳米颗粒458)可在卷绕之后固化。例如，可加热复合纤维预制件100以固化粘合剂459。
在一些示例中，粘合剂459(无论是否含有纳米颗粒458)可被构造成粘结和/或粘附例如碳纤维织物462的相邻和/或连续碳纤维织物层。在一些示例中，粘合剂459可被构造成改善复合纤维预制件100的特性，例如，以改善碳纤维预制件100、碳纤维预制件100的连续层和由碳纤维预制件100形成的制动盘的剪切强度、拉伸强度和/或任何其他合适的机械特性。粘合剂459可具有任何合适的厚度。在一些示例中，粘合剂459可具有在约0.05毫米(mm)至约0.6mm范围内的厚度。
纳米颗粒458可以为单壁或多壁碳纳米管、碳纳米纤维、石墨烯纳米片碳纳米纤维，如得自密歇根州兰辛的XG科学公司(XG Sciences of Lansing,MI)的
粘合剂459可以为被构造成将纳米颗粒458分散在碳纤维织物462表面上的粘合剂459内和/或使纳米颗粒458的碳纤维基本上在轴向方向上取向(例如，成为轴向纤维104)的任何合适的材料。在一些示例中，可选择涂布机454和/或碳纤维织物462的幅材速度，以影响粘合剂459的涂层厚度和/或碳纤维织物462的表面积上的纳米颗粒458的密度。例如，较慢的幅材速度和/或涂布机454的增加的涂覆速率(例如，体积/时间)可导致纳米颗粒458的较大体积和/或密度。在一些示例中，可选择幅材速度和/或涂覆速率以产生相对于复合纤维预制件100的总体积和/或密度的所选择的纳米颗粒458和/或粘合剂459体积和/或密度。例如，可选择幅材速度和/或涂覆速率以使粘合剂459的体积相对于复合纤维预制件100的总体积的百分比在约10％至约30％之间。在一些示例中，粘合剂459内的纳米颗粒458可改善碳盘和/或制动摩擦性能。
在一些示例中，通过涂覆/沉积和卷绕到预制件100上将碳纤维织物462和粘合剂459组合可以以其中碳纤维织物462的碳纤维的取向可基本上在轴向方向上的形式(例如在复合纤维预制件100的分割之后轴向纤维104在制动盘36、38的厚度方向或“z方向”上取向)，在制动盘36、38的碳纤维织物462的连续层之间提供层间强度(例如，增加的剥离力)。相对于周向纤维106和径向纤维108，在“z方向”上的轴向纤维104可具有减少的碳纤维拉出和改善的磨损率，并且由粘合剂459提供的层间粘附力可减少制动盘36、38的层102的分层。
在一些示例中，可控制碳纤维织物462的张力、幅材速度和/或涂布机454的涂覆速率以在复合纤维预制件100的所选择区域中提供所选择量的粘合剂459和/或纳米颗粒458。例如，在预制件100的内部径向节段的卷绕期间，相对于中心径向节段(例如，相对于图3A的宽度W的中心)，碳纤维织物462的第一张力、第一幅材速度和第一涂覆速率可提供更大量的粘合剂459和/或纳米颗粒458，该中心径向节段在碳纤维织物462的第二张力和/或第二幅材速度和/或第二涂覆速率下卷绕(例如，其中每一者均可独立地或以任何组合变化以增加或减少粘合剂459和/或纳米颗粒458的量)。类似地，在预制件100的外部径向节段的卷绕期间，相对于中心径向节段，碳纤维织物462的第三张力和/或第三幅材速度和/或第三涂覆速率可提供更大量的粘合剂459和/或纳米颗粒458。以此方式，复合纤维预制件100可形成为具有随复合纤维预制件100和制动盘36、38的半径变化的所选择的量(例如，百分比)的粘合剂459和/或纳米颗粒458。
参考图4A和图4B，一旦从复合纤维预制件100分割制动盘36、38，被卷绕以形成复合预制件100的碳纤维织物412、462的平面内纤维就在该盘的轴向-周向平面中，与片材堆叠方法相比，这使碳纤维织物412、462层102的碳纤维有效地重新取向。例如并以对比的方式，片材堆叠方法可将碳纤维织物412、462的平坦片材堆叠为层102，该层然后可以被转换(例如，经由模切或任何其他方法)以形成环形制动盘36、38，其中碳纤维织物412、462的每个层的平面内碳纤维最终在制动盘36、38的径向-周向平面(例如，也称为径向-切向平面)中取向。换句话说，根据本文公开的技术的制动盘36、38的碳纤维织物412、462层堆叠102呈具有相同轴向长度的同心环的形式，这与产生具有相同半径的碳纤维织物412、462盘的轴向层堆叠102的片材堆叠方法相反。因此，根据本文所公开的技术形成的制动盘36、38可具有增加的轴向纤维104含量、改善的磨损率和改善的热性能，其中层间粘附力和剪切阻力至少部分地由图4A和图7的技术中的中间层414和径向纤维408以及图4B和图8的技术中的中间层464和粘合剂459提供。在一些示例中，复合预制件100可例如包括制动盘36、38，但不进行分割。换句话说，复合预制件100可形成为制动盘36、38，例如，具有用于形成制动盘36、38的期望的轴向长度/厚度，与具有更长轴向长度的被构造成被分割以形成具有期望轴向长度/厚度的制动盘36、38的预制件相反。
图5A-图5C是具有不同密度的高度取向的经研磨碳纤维(例如，径向纤维408)的示例性中间层414的剖视图。在所示的示例中，中间层414包括径向纤维408。在所示的示例中，中间层414(例如，径向纤维408)在卷绕之前设置在载体418上以形成复合纤维预制件100并且移除载体418。
在一些示例中，径向纤维408的取向或取向分布可与径向纤维408的密度成比例。例如，图5A-图5C示出了构成中间层414的径向纤维408的三个不同密度，其中图5A示出了低径向纤维408密度，图5B示出了中等径向纤维408密度，并且图5C示出了高径向纤维408密度。图5B示出了基本上所有(大约100％)的径向纤维408具有与载体418的表面成大于或等于45度取向的长尺寸(例如，径向纤维408基本上全部在与载体418的表面法线成+/-45度内(或等于+/-45度)取向)。图5C示出了基本上所有(大约100％)的径向纤维408的长尺寸基本上垂直于载体418的表面。
图6A和图6B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6A所示，定子制动盘502A和相邻转子制动盘504A可限定摩擦表面界面506A。定子制动盘502A和转子制动盘504A包括非织造摩擦复合材料。在制动过程期间，定子制动盘502A与转子制动盘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，此类温度可增加定子制动盘502A和转子制动盘504A的磨损，损坏定子制动盘502A和转子制动盘504A上的保护性涂层，以及/或者减少定子制动盘502A和转子制动盘504A的使用寿命。
如图6B所示，定子制动盘502B和相邻转子制动盘504B可限定摩擦表面界面506B。定子制动盘502B和转子制动盘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6A的示例)可减少定子制动盘502B和转子制动盘504B的磨损以及/或者改善保护性涂层(诸如定子制动盘502B和转子制动盘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7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7所示，峰值温度在制动过程期间达到约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7所示，所描述的摩擦复合材料的峰值温度在制动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碳-碳复合材料制动衬块可使用任何合适的技术形成。图8是示出制造复合纤维预制件和制动衬块(诸如图1的盘式制动器36和38)的示例性技术的流程图。图8中所示的技术相对于复合纤维预制件100和制动盘36、38、纤维104-108、层102、织物源402、碳纤维织物412、中间层源404、中间层414和径向纤维408进行描述，然而，可使用所述技术形成其他纤维预制件或制动盘，并且可使用其他技术形成复合纤维预制件100和制动盘36、38。
可将中间层414和碳纤维织物412组合(700)。在一些示例中，中间层414和碳纤维织物412可借助于将两者围绕芯轴和/或芯轴上的芯卷绕在一起来组合，例如，经由如图4A所示的卷对卷处理，以形成复合纤维预制件100。在其他示例中，中间层414和碳纤维织物412可在围绕芯轴卷绕之前组合，例如，经由压制、张紧和/或用于将中间层和碳纤维织物组合的任何其他合适的技术。
在一些示例中，碳纤维织物412可包括包含平面内碳纤维的材料，例如碳毡和/或基于碳的毡。在一些示例中，碳纤维织物412的碳纤维的至少50％是平面内纤维，诸如轴向纤维104或周向纤维106，例如，碳纤维织物412的碳纤维的具有基本上平面内取向的一部分大于或等于约50％。在一些示例中，碳纤维织物412的碳纤维的不超过50％是平面外纤维，诸如径向纤维108，例如，碳纤维织物412的碳纤维的具有基本上平面外取向的一部分小于或等于约50％。
在一些示例中，中间层414可包括多个径向纤维408，例如在卷绕之前是“平面外”的纤维，诸如包括多个平面外纤维的高度取向的经研磨碳纤维层片。在一些示例中，中间层414的碳纤维的至少50％是平面外纤维，诸如径向纤维108，例如，中间层414的碳纤维的具有基本上平面外(或卷绕时是径向的)取向的一部分大于或等于约50％。在一些示例中，中间层414可包括载体418，诸如剥离层片背衬，其可以是可移除的并且可在将中间层414和碳纤维织物412组合之后从高度取向的经研磨碳纤维层片中移除。
可将中层间414和碳纤维织物412组合以至少部分地将中间层414的多个平面外纤维中的一个或多个平面外纤维引入到碳纤维织物412(例如碳毡)中。中间层414和碳纤维织物412可通过使径向纤维408的端部(例如，其平均而言可包括中间层414的“表面”)与碳纤维织物412的表面接触来组合。
中间层414和碳纤维织物412可围绕芯410卷绕以形成复合纤维预制件100(702)。在一些示例中，中间层414和碳纤维织物412可围绕没有芯410的芯轴卷绕。在一些示例中，中间层414和碳纤维织物412可卷绕以形成中间层414和碳纤维织物412的交替层，例如，如图3B的层102。在其他示例中，例如来自附加的织物源402和/或中间层源404的附加碳纤维织物412和/或中间层414可以以任何其他合适的层模式组合。例如，中间层414和碳纤维织物412可以以中间层414的两个相邻层与一层碳纤维织物412交替的方式组合，或者中间层414和碳纤维织物412可以以一层中间层414与碳纤维织物412的两个相邻层交替的方式组合。
在一些示例中，将中间层414和碳纤维织物412卷绕到芯410或芯轴上可包括选择芯410或芯轴的外径以对应于复合纤维预制件100的所选择的内径ID。在一些示例中，卷绕中间层414和碳纤维织物412可包括控制卷绕的数量以实现复合纤维预制件100的所选择的外径OD。在一些示例中，芯410可包括长丝卷绕碳丝束，并且在一些示例中，复合纤维预制件100可以从芯410或从芯轴移除，或芯410可以从芯轴移除。
可加固中间层414和碳纤维织物412以增加复合纤维预制件100的纤维体积分数(FVF)。例如，中间层414和碳纤维织物412可通过在组合和/或卷绕期间控制中间层414和碳纤维织物412中的一者或两者的张力来加固。在一些示例中，织物源402和中间层源404可卷绕在芯轴上，或卷绕在可安装到芯轴上或在芯轴上的芯420上。芯轴可具有制动系统、被构造用于制动的马达或任何其他合适的张紧系统。在一些示例中，张力杆可用于控制中间层414和/或碳纤维织物412的张力。
在一些示例中，控制碳纤维织物412或中间层414中的至少一者的张力包括将纤维体积相对于纤维预制件的总体积的百分比控制在约5％至约35％之间或在约5％至约25％之间。例如，增加碳纤维织物412或中间层414中的至少一者的张力可拉伸或增加碳纤维织物412或中间层414在复合纤维预制件100的周向方向上的长度，同时压缩或减小碳纤维织物412或中间层414在复合纤维预制件100的厚度或径向方向上的宽度/厚度，从而增加复合纤维预制件100的碳纤维织物412或中间层414的密度。相对于张力不增加的纤维预制件，复合纤维预制件100则可具有增加量或体积的例如来自碳纤维织物412或中间层414的碳纤维含量。换句话说，碳纤维织物412或中间层414中的至少一者的张紧可控制围绕复合纤维预制件100卷绕的碳纤维织物412或中间层414的密度，并且因此控制复合纤维预制件100的碳纤维含量的密度。
在一些示例中，可选择碳纤维织物412或中间层414中的至少一者的张力以增加或减小至少一个径向取向的碳纤维在碳纤维织物412内延伸的径向长度的量。换句话说，控制碳纤维织物412或中间层414中的至少一者的张力可控制中间层414的径向纤维408在碳纤维织物412中延伸的长度。例如，增加碳纤维织物412或中间层414中的一者的张力增加了碳纤维织物412的特定层或中间层414在其在卷绕期间接触的相邻层上的径向压力，从而迫使中间层414的径向纤维408在相邻碳纤维织物层414内延伸更大长度。
通常，控制碳纤维织物412或中间层414中的至少一者的张力可至少部分地控制层102的压缩以形成更紧凑的复合纤维预制件100，至少部分地控制经由径向纤维108将层102与层102机械地粘结到一起的量，或上述两者。以这种方式，经由中间层414引入径向纤维108并在组合或卷绕期间经由张力控制来控制机械粘结可控制或增加复合纤维预制件100和/或使用复合纤维预制件100制造的制动盘36、38的层间剪切强度。
尽管未示出，但是一旦以上述方式形成复合纤维预制件100，技术可包括碳化和/或热解复合纤维预制件100。使复合纤维预制件100碳化和/或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，复合纤维预制件100可通过在惰性或还原条件下在蒸馏器中加热复合纤维预制件100来碳化，以从纤维104-108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，复合纤维预制件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复合纤维预制件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℃。
在卷绕之后，可将复合纤维预制件100致密化(704)。例如，复合纤维预制件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施加碳质气体以使复合纤维预制件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，可将包括复合纤维预制件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可增加碳质气体向复合纤维预制件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104-108具有更大百分比的轴向纤维104的复合纤维预制件100可具有更好的碳质气体渗透。在一些示例中，碳纤维织物412的碳纤维可高度分散，例如，作为碳毡，并且可具有基本上均匀的孔隙结构，其可具有改善的碳质气体渗透和/或浸润。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，复合纤维预制件100可使用其他合适的技术致密化，包括例如经由树脂转移模塑(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(704)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，复合纤维预制件100可任选地用压实层围绕复合纤维预制件100的外径卷绕。压实层可被构造成维持复合纤维预制件的压实，并且可包括长丝卷绕碳丝束。在一些示例中，技术可包括热循环复合纤维预制件100，以使芯410、复合纤维预制件100或压实层中的至少一者硬化。
在一些示例中，在碳化或致密化中的任一者之前或之后，复合纤维预制件100可被分割成具有所选择的厚度的多个节段(706)。例如，可使用任何合适的切割方法将复合纤维预制件100切割成多个节段，在一些示例中，该多个节段随后可被碳化或致密化。
在一些示例中，在复合纤维预制件100的致密化期间或之后，所得C-C复合材料的主要摩擦表面可机加工或雕刻成期望形状，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，在致密化之后，该技术可包括将一个或多个涂层施加到制动盘36、38。例如，该技术可包括向制动盘36、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制动盘36、38的性能和/或改善制动盘36、38的使用寿命。
图9是示出制造复合纤维预制件和制动盘的另一示例性技术的流程图。图9中所示的技术相对于复合纤维预制件100和制动盘36、38、纤维104-108、层102、织物源452、碳纤维织物462、中间层源454和中间层464进行描述，然而，可使用所述技术形成其他纤维预制件或盘式制动器，并且可使用其他技术形成复合纤维预制件100和制动盘36、38。
中间层464可沉积到碳纤维织物462上以形成复合碳纤维织物(800)。在一些示例中，中间层464可以是粘合剂459，并且中间层源诸如涂布机454可将中间层464沉积到碳纤维织物454的表面上。
在一些示例中，碳纤维织物452可包括包含平面内碳纤维的材料，例如纤维丝束织物的卷、碳非织造毡、碳针织织物、碳织造织物、聚丙烯腈(PAN)纤维、氧化的PAN纤维如
等。在一些示例中，碳纤维织物462的碳纤维的至少50％是平面内纤维，诸如轴向纤维104或周向纤维106，例如，碳纤维织物462的碳纤维的具有基本上平面内取向的一部分大于或等于约50％。在一些示例中，碳纤维织物462的碳纤维的不超过50％是平面外纤维，诸如径向纤维108，例如，碳纤维织物462的碳纤维的具有基本上平面外取向的一部分小于或等于约50％。
涂布机454可将中间层464涂覆或以其他方式沉积到碳纤维织物464的表面上。中间层464可包含粘合剂459，并且任选地包含在粘合剂459内混合的多个纳米颗粒458。在一些示例中，涂布机454可以是料斗并且可将粘合剂459沉积到碳纤维织物462的表面上。例如，粘合剂459可以是粘合剂材料的干粉，并且料斗可将干燥粘合剂沉积和/或筛到碳纤维织物462上。料斗可接收纳米颗粒458和粘合剂459并将纳米颗粒和粘合剂混合，并且可将粘合剂459与纳米颗粒458沉积和/或筛到碳纤维织物462上。在一些示例中，涂布机454可将粘合剂溶液沉积或涂覆到碳纤维织物462的表面上。例如，在涂布机54之前或包括在该涂布机中的混合器可将粘合剂459与溶剂(诸如有机溶剂、甲乙酮(MEK)、丙酮或任何合适的溶剂)混合，以形成粘合剂溶液，并且涂布机454可用粘合剂溶液涂覆和/或喷涂碳纤维织物462的表面。混合器还可将粘合剂溶液与纳米颗粒458混合，并且涂布机454可将具有纳米颗粒458的粘合剂溶液涂覆到碳纤维织物462上。在一些示例中，无论是以干燥粘合剂形式沉积还是以粘合剂溶液形式涂覆，粘合剂459占干燥碳纤维织物462的重量百分比(重量％)可介于约20重量％至约30重量％之间。在一些示例中，当添加到干燥粘合剂或粘合剂溶液中时，纳米颗粒458占粘合剂459的重量百分比(重量％)可介于约2重量％至约10重量％之间。
在一些示例中，轧辊466和/或压辊468可以压缩粘合剂459和碳纤维织物462，例如，无论粘合剂459以干燥粘合剂形式沉积还是以粘合剂溶液形式涂覆，以及无论粘合剂459是否含有纳米颗粒458。系统，诸如系统400可例如在卷绕之前或之后(例如，在802处)干燥粘合剂溶液。例如，系统400可包括干燥器，或者可包括粘合剂459中空气干燥的幅材路径，例如，溶剂具有蒸发时间。
中间层464和碳纤维织物462可围绕芯410卷绕以形成复合纤维预制件100(802)。在一些示例中，中间层464和碳纤维织物462可围绕没有芯410的芯轴卷绕。在一些示例中，中间层464和碳纤维织物462可卷绕以形成中间层464和碳纤维织物462的交替层，例如，如图3B的层102。
在一些示例中，将中间层464和碳纤维织物462卷绕到芯410或芯轴上可包括选择芯410或芯轴的外径以对应于复合纤维预制件100的所选择的内径ID。在一些示例中，卷绕中间层464和碳纤维织物462可包括控制卷绕的数量以实现复合纤维预制件100的所选择的外径OD。在一些示例中，芯410可包括长丝卷绕碳丝束，并且在一些示例中，复合纤维预制件100可以从芯410或从芯轴移除，或芯410可以从芯轴移除。
可加固中间层464和碳纤维织物462以增加复合纤维预制件100的纤维体积分数(FVF)。例如，中间层464和碳纤维织物462可通过在组合和/或卷绕期间控制碳纤维织物462的张力来加固。在一些示例中，织物源452可卷绕在芯轴上，或卷绕在可安装到芯轴或在芯轴上的芯420上。芯轴可具有制动系统、被构造用于制动的马达或任何其他合适的张紧系统。在一些示例中，张力杆可用于控制碳纤维织物462的张力。
在一些示例中，控制碳纤维织物462的张力包括将纤维体积相对于纤维预制件的总体积的百分比控制在约5％至约35％之间或在约5％至约25％之间。例如，增加碳纤维织物462或中间层464中的至少一者的张力可拉伸或增加碳纤维织物462或中间层464在复合纤维预制件100的周向方向上的长度，同时压缩或减小碳纤维织物462或中间层464在复合纤维预制件100的厚度或径向方向上的宽度/厚度，从而增加复合纤维预制件100的碳纤维织物462或中间层464的密度。在致密化之后，相对于张力不增加的纤维预制件，复合纤维预制件100可具有增加量或体积的例如来自碳纤维织物462或中间层464的碳纤维含量。换句话说，碳纤维织物462的张紧可控制围绕复合纤维预制件100卷绕的碳纤维织物462或中间层464的密度，并且因此控制复合纤维预制件100的碳纤维含量的密度。
通常，控制碳纤维织物462的张力可至少部分地控制层102的压缩以形成更紧凑的复合纤维预制件100，至少部分地控制经由粘合剂459将层102机械地粘结到一起的量，或上述两者。以这种方式，在组合或卷绕期间经由张力控制来控制机械粘结可控制或增加复合纤维预制件100和/或使用复合纤维预制件100制造的制动盘36、38的层间剪切强度。
尽管未示出，但是一旦以上述方式形成复合纤维预制件100，技术可包括在卷绕之后固化中间层464，例如固化粘合剂459。例如，可加热复合纤维预制件100以固化粘合剂459。在一些示例中，系统400可固化具有或不具有纳米颗粒458的粘合剂459。在一些示例中，固化粘合剂459可使粘合剂459增加对相邻层102的粘附并增加粘合剂459的内聚力，从而增加复合纤维预制件100和/或使用复合纤维预制件100制造的制动盘36、38的层间剪切强度。
该技术还可包括碳化和/或热解复合纤维预制件100。使复合纤维预制件100碳化和/或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，复合纤维预制件100可通过在惰性或还原条件下在蒸馏器中加热复合纤维预制件100来碳化，以从纤维104-108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，复合纤维预制件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复合纤维预制件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℃。
在卷绕之后，可将复合纤维预制件100致密化(804)。例如，复合纤维预制件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施加碳质气体以使复合纤维预制件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，可将包括复合纤维预制件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可增加碳质气体向复合纤维预制件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104-108具有更大百分比的轴向纤维104的复合纤维预制件100可具有更好的碳质气体渗透。在一些示例中，碳纤维织物412的碳纤维可高度分散，例如，作为碳毡，并且可具有基本上均匀的孔隙结构，其可具有改善的碳质气体渗透和/或浸润。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，复合纤维预制件100可使用其他合适的技术致密化，包括例如经由树脂转移模塑(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(804)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，复合纤维预制件100可围绕复合纤维预制件的外径卷绕有压实层。压实层可被构造成维持复合纤维预制件的压实，并且可包括长丝卷绕碳丝束。在一些示例中，技术可包括热循环复合纤维预制件100，以使芯410、复合纤维预制件100或压实层中的至少一者硬化。
在一些示例中，在碳化或者部分或完全致密化中的任一者之前或之后，复合纤维预制件100可被分割成具有所选择的厚度的多个节段(806)。例如，可使用任何合适的切割方法将复合纤维预制件100切割成多个节段，在一些示例中，该多个节段随后可被碳化或致密化。
在一些示例中，在复合纤维预制件100的致密化期间或之后，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1：一种方法，所述方法包括：将中间层和碳纤维织物组合，其中所述中间层包括高度取向的经研磨碳纤维层片，所述碳纤维层片包括多个平面外碳纤维；围绕芯卷绕所述中间层和所述碳纤维织物以形成复合纤维预制件，所述复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层；以及使所述复合纤维预制件致密化。
条款2：根据条款1所述的方法，其中所述碳纤维织物包括多个碳纤维，其中所述碳纤维织物的所述多个碳纤维的具有基本上平面内取向的一部分大于或等于约50％，其中所述碳纤维织物的所述多个碳纤维的具有基本上平面外取向的一部分小于或等于约50％，并且其中所述平面外取向基本上平行于所述复合纤维预制件的径向取向。
条款3：根据条款2所述的方法，其中所述碳纤维织物包括碳毡。
条款4：根据条款3所述的方法，其中将所述中间层和所述碳纤维织物组合包括将所述中间层与所述碳毡组合以将所述多个平面外碳纤维中的一个或多个平面外碳纤维至少部分地引入到所述碳毡中。
条款5：根据条款1至4中任一项所述的方法，其中所述中间层包括剥离层片背衬，所述方法还包括在将所述中间层和所述碳纤维织物组合之后从所述高度取向的经研磨碳纤维层片移除所述剥离层片背衬。
条款6：根据条款1至5中任一项所述的方法，还包括经由控制所述碳纤维织物或所述中间层中的至少一者的张力来加固所述中间层和所述碳纤维织物以增加所述复合纤维预制件的碳纤维体积分数。
条款7：根据条款6所述的方法，其中控制所述碳纤维织物或所述中间层中的至少一者的所述张力包括控制所述张力，使得碳纤维体积相对于所述复合纤维预制件的总体积的百分比在约5％至约25％之间。
条款8：根据条款7所述的方法，还包括选择所述碳纤维织物或所述中间层中的至少一者的张力以增加或减小至少一个径向取向的碳纤维在所述碳纤维织物内延伸的径向长度的量。
条款9：根据条款1至8中任一项所述的方法，其中所述芯包括长丝卷绕碳丝束，其中所述复合纤维预制件可从所述芯移除。
条款10：根据条款1至9中任一项所述的方法，还包括围绕所述复合纤维预制件的外径卷绕压实层，其中所述压实层被构造成维持所述复合纤维预制件的压实。
条款11：根据条款10所述的方法，其中所述压实层包括长丝卷绕碳丝束。
条款12：根据条款10或条款11所述的方法，还包括热循环所述复合纤维预制件以使所述芯、所述复合纤维预制件或所述压实层中的至少一者硬化。
条款13：根据条款1至12中任一项所述的方法，还包括：将所述复合纤维预制件的至少一部分碳化，其中使所述复合纤维预制件致密化包括通过化学气相沉积使所述复合纤维预制件致密化。
条款14：根据条款1至13中任一项所述的方法，还包括将至少部分致密化的复合纤维预制件分割成限定相应复合材料制动衬块或盘的一个或多个盘。
条款15：一种复合纤维预制件，包括：碳纤维织物；和中间层，所述中间层包括高度取向的经研磨碳纤维层片，所述碳纤维层片包括多个平面外碳纤维，其中所述中间层和所述碳纤维织物围绕芯卷绕以形成复合纤维预制件，所述复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层，其中所述中间层和所述碳纤维织物至少部分地致密化。
条款16：根据条款15所述的复合纤维预制件，其中所述碳纤维织物包括多个碳纤维，其中所述碳纤维织物的所述多个碳纤维的具有基本上平面内取向的一部分大于或等于约50％，其中所述碳纤维织物的所述多个碳纤维的具有基本上平面外取向的一部分小于或等于约50％，并且其中所述平面外取向基本上平行于所述复合纤维预制件的径向取向：
条款17：根据条款16所述的复合纤维预制件，其中所述碳纤维织物包括碳毡。
条款18：根据条款17所述的复合纤维预制件，其中所述中间层的所述多个平面外碳纤维中的一个或多个平面外碳纤维被至少部分地引入到所述碳毡中。
条款19：根据条款15至18中任一项所述的复合纤维预制件，还包括围绕所述复合纤维预制件的外径卷绕的压实层，其中所述压实层被构造成维持所述复合纤维预制件的压实。
条款20：一种系统，包括：织物源，所述织物源包括碳纤维织物；中间层源，所述中间层源包括中间层，所述中间层包括多个平面外碳纤维；和卷绕设备，所述卷绕设备被构造成围绕芯卷绕所述碳纤维织物和所述中间层以形成复合纤维预制件，并且限定沿中心纵向轴线延伸的环，所述复合纤维预制件包括：多个碳纤维织物层，所述多个碳纤维织物层在平行于所述纵向轴线的轴向方向以及垂直于所述径向方向和所述轴向方向两者的周向方向上延伸，其中所述多个碳纤维织物层中的每一者包括基本上平行于所述轴向方向和所述周向方向取向的多个细长碳纤维；和多个中间层，所述多个中间层在平行于所述纵向轴线的轴向方向以及垂直于所述径向方向和所述轴向方向两者的周向方向上延伸，其中中间层的所述多个平面外碳纤维基本上平行于所述径向方向取向并且被构造成机械地粘结一个或多个相邻碳纤维织物层。
条款21：根据条款20所述的系统，还包括：马达，所述马达联接到芯轴，所述芯轴联接到所述芯，其中所述马达被构造成使所述芯轴旋转；以及控制器，所述控制器通信地联接到所述马达，其中所述控制器被构造成控制所述芯轴的旋转速度。
条款22：根据条款20或条款21所述的系统，其中所述芯轴包括石墨芯轴。
条款23：根据条款20至22中任一项所述的系统，其中所述芯轴包括金属棒和联接到所述金属棒的至少一部分的石墨环。
条款24：根据条款20至23中任一项所述的系统，其中所述织物源包括第二芯轴，其中所述碳纤维织物卷绕在所述第二芯轴上。
条款25：根据条款24所述的系统，还包括联接到所述第二芯轴的张紧器或张力杆中的至少一者，其中所述张紧器或张力杆被构造成在将所述碳纤维织物卷绕到第一芯轴上期间，控制所述碳纤维织物的张力。
条款26：根据条款25所述的系统，其中所述中间层源包括第三芯轴，其中所述中间层卷绕在所述第三芯轴上。
条款27：根据条款26所述的系统，还包括联接到所述第三芯轴的张紧器或张力杆中的至少一者，其中所述张紧器或张力杆被构造成在将所述中间层卷绕到所述第一芯轴上期间，控制所述中间层的张力。
条款28：一种方法，包括：在碳纤维织物上形成中间层以形成复合纤维织物，其中所述中间层包含粘合剂；围绕芯卷绕所述复合纤维织物和中间层以形成复合纤维预制件，所述复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层；以及使所述复合纤维预制件致密化。
条款29：根据条款28所述的方法，其中所述碳纤维织物的碳纤维的具有基本上平面内取向的一部分大于或等于约50％，其中所述碳纤维织物的碳纤维的具有基本上平面外取向的一部分小于或等于约50％，其中所述平面外取向平行于所述复合纤维预制件的径向取向。
条款30：根据条款28或29所述的方法，其中所述粘合剂包括树脂、热固性树脂或酚醛树脂中的至少一种。
条款31：根据条款28至30中任一项所述的方法，其中沉积所述中间层包括：将呈干粉形式的所述粘合剂沉积到所述碳纤维织物上；在卷绕所述复合纤维织物之前将所述粘合剂压缩到所述碳纤维织物；以及在卷绕之后固化所述粘合剂。
条款32：根据条款28至31中任一项所述的方法，其中所述中间层包括所述粘合剂中的多个纳米颗粒，所述方法还包括在沉积所述中间层之前将所述多个纳米颗粒与所述粘合剂共混。
条款33：根据条款32所述的方法，其中所述多个纳米颗粒包括碳纳米管、碳纳米纤维或石墨烯纳米片中的至少一种。
条款34：根据条款28至33中任一项所述的方法，其中沉积所述中间层包括：将所述粘合剂与溶剂混合以形成粘合剂溶液；用所述粘合剂溶液涂覆所述碳纤维织物的表面；在卷绕所述复合纤维织物之前将所述粘合剂压缩到所述碳纤维织物；干燥所述粘合剂溶液；以及在卷绕之后固化所述粘合剂。
条款35：根据条款34所述的方法，还包括在涂覆所述粘合剂之前将多个纳米颗粒与所述粘合剂溶液混合。
条款36：根据条款28至35中任一项所述的方法，还包括经由控制所述复合碳纤维织物的张力来加固所述中间层和所述碳纤维织物以增加所述复合纤维预制件的碳纤维体积分数。
条款37：根据条款36所述的方法，其中控制所述复合碳纤维织物的所述张力包括将碳纤维体积相对于所述复合纤维预制件的总体积的百分比控制在约5％至约35％之间。
条款38：根据条款28至37中任一项所述的方法，其中所述芯包括长丝卷绕碳丝束，其中所述复合纤维预制件可从所述芯移除。
条款39：根据条款28至38中任一项所述的方法，还包括围绕所述复合纤维预制件的外径卷绕压实层，其中所述压实层被构造成维持所述复合纤维预制件的压实，其中所述压实层包括长丝卷绕碳丝束。
条款40：根据条款39所述的方法，还包括热循环所述复合纤维预制件以使所述芯、所述复合纤维预制件或所述压实层中的至少一者硬化。
条款41：根据条款28至41中任一项所述的方法，还包括：将所述复合纤维预制件的至少一部分碳化，其中使所述复合纤维预制件致密化包括经由化学气相沉积使所述复合纤维预制件致密化。
条款42：根据条款28至42中任一项所述的方法，还包括将至少部分致密化的复合纤维预制件分割成限定相应复合材料制动衬块或盘的一个或多个盘。
条款43：一种复合纤维预制件包括：多个碳纤维织物层，所述多个碳纤维织物层围绕纵向轴线周向地卷绕并且在平行于所述纵向轴线的轴向方向上延伸，其中所述多个碳纤维织物层中的每一者包括多个细长碳纤维；和多个中间层，所述多个中间层围绕所述纵向轴线周向地卷绕并且在所述轴向方向上延伸，其中所述多个中间层中的每一者设置在所述多个碳织物层的连续层之间，并且包含被构造成机械地粘结一个或多个相邻碳纤维织物层的粘合剂。
条款44：根据条款43所述的复合纤维预制件，其中所述粘合剂包括树脂、热固性树脂或酚醛树脂中的至少一种。
条款45：根据条款43或条款44中任一项所述的复合纤维预制件，其中所述粘合剂包含多个纳米颗粒。
条款46：根据条款45所述的复合纤维预制件，其中所述多个纳米颗粒包括碳纳米管、碳纳米纤维或石墨烯纳米片中的至少一种。
条款47：一种系统，包括：织物源，所述织物源包括碳纤维织物；中间层源；和卷绕设备，所述卷绕设备被构造成围绕芯卷绕所述碳纤维织物和所述中间层以形成复合纤维预制件，并且限定沿中心纵向轴线延伸的环，所述纤维预制件包括：多个碳纤维织物层，所述多个碳纤维织物层在平行于所述纵向轴线的轴向方向以及垂直于所述径向方向和所述轴向方向两者的周向方向上延伸，其中所述多个碳纤维织物层中的每一者包括多个细长碳纤维；和多个中间层，所述多个中间层在平行于所述纵向轴线的轴向方向和垂直于所述径向方向和所述轴向方向两者的周向方向上延伸，其中所述中间层包含被构造成机械地粘结一个或多个相邻碳纤维织物层的粘合剂。
条款48：根据条款47所述的系统，还包括：马达，所述马达联接到芯轴，所述芯轴联接到所述芯，其中所述马达被构造成使所述芯轴旋转；以及控制器，所述控制器通信地联接到所述马达，其中所述控制器被构造成控制所述芯轴的旋转速度。
条款49：根据条款48所述的系统，还包括至少一个张紧器，所述张紧器被构造成在将所述碳纤维织物卷绕到所述第一芯轴上期间，控制所述碳纤维织物的张力。
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书的范围内。
Claims (10)
1.一种方法，包括：
在碳纤维织物上形成中间层以形成复合纤维织物，其中所述中间层包含粘合剂；
围绕芯卷绕所述复合纤维织物以形成复合纤维预制件，所述复合纤维预制件包括限定沿中心轴线延伸的环的多个层；以及
使所述复合纤维预制件致密化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述碳纤维织物的碳纤维的具有基本上平面内取向的一部分大于或等于约50％，其中所述碳纤维织物的碳纤维的具有基本上平面外取向的一部分小于或等于约50％，其中所述平面外取向平行于所述复合纤维预制件的径向取向，
其中所述中间层包括所述粘合剂中的多个纳米颗粒，
所述方法还包括在沉积所述中间层之前将所述多个纳米颗粒与所述粘合剂共混。
3.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述中间层包括：
将呈干粉形式的所述粘合剂沉积到所述碳纤维织物上；
在卷绕所述复合纤维织物之前将所述粘合剂压缩到所述碳纤维织物；以及
在卷绕之后固化所述粘合剂。
4.根据权利要求1所述的方法，其中沉积所述中间层包括：
将所述粘合剂与溶剂混合以形成粘合剂溶液；
将多个纳米颗粒与所述粘合剂溶液混合；
用所述粘合剂溶液涂覆所述碳纤维织物的表面；
在卷绕所述复合纤维织物之前将所述粘合剂压缩到所述碳纤维织物；
干燥所述粘合剂溶液；以及
在卷绕之后固化所述粘合剂。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括经由控制所述复合碳纤维织物的张力来加固所述中间层和所述碳纤维织物以增加所述复合纤维预制件的碳纤维体积分数，
其中控制所述复合碳纤维织物的所述张力包括将碳纤维体积相对于所述复合纤维预制件的总体积的百分比控制在约5％至约35％之间。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，还包括以下中的至少一个：
热循环所述复合纤维预制件以使所述芯、所述复合纤维预制件或压实层中的至少一者硬化；或者
将所述复合纤维预制件的至少一部分碳化，
其中使所述复合纤维预制件致密化包括经由化学气相沉积使所述复合纤维预制件致密化。
7.一种复合纤维预制件，包括：
多个碳纤维织物层，所述多个碳纤维织物层围绕纵向轴线周向地卷绕并且在平行于所述纵向轴线的轴向方向上延伸，其中所述多个碳纤维织物层中的每一者包括多个细长碳纤维；以及
多个中间层，所述多个中间层围绕所述纵向轴线周向地卷绕并且在所述轴向方向上延伸，其中所述多个中间层中的每一者设置在所述多个碳织物层的连续层之间，并且包含被构造成机械地粘结一个或多个相邻碳纤维织物层的粘合剂。
8.根据权利要求7所述的复合纤维预制件，其中所述粘合剂包括树脂、热固性树脂或酚醛树脂中的至少一种。
9.根据权利要求8所述的复合纤维预制件，其中所述粘合剂包含多个纳米颗粒。
10.根据权利要求9所述的复合纤维预制件，其中所述多个纳米颗粒包括碳纳米管、碳纳米纤维或石墨烯纳米片中的至少一种。
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