CN1247523A - 由致密碳泡沫体制成的碳－碳复合材料 - Google Patents

Abstract

碳—碳复合材料的制造方法是,制成开孔式碳泡沫预制件,然后使用含碳物质致密该预制件。开孔式碳泡沫预制件可以在对其进行碳化之前进行氧气稳定化处理,然后对泡沫预制件采用CVD、HIP、PIC、VPI、沥青和树脂注射,或它们的任何组合进行致密。可以对碳—碳复合材料进行热处理以制成热控制材料,结构材料,或供在刹车机构或离合品装置中使用的摩擦材料。

Description

由致密碳泡沫体制成的 碳-碳复合材料

本专利申请根据1996年12月19日提交的U.S临时专利申请号60/034821要求优先权。

本发明涉及通过制成开孔式泡沫预制件并利用含碳物质致密该预制件的方法来制造摩擦材料，尤其涉及制造用于航空器刹车装置的摩擦材料。

碳-碳复合材料广泛用作航空器刹车装置摩擦材料。碳-碳是诱人的，因为它轻并能在极高的温度下操作，又因为它能均等地吸收大量的航空器能量并将其转变成热量。将碳-碳用于这种场合的主要缺点是制造这些部件所用原材料的成本较高。昂贵的碳纤维是重要的组分；在这种复合材料中使用的纤维有时高达45％。纤维的各种费用在制造摩擦材料的费用中所占比重可能常是唯一最大者。另外的缺点是制造碳-碳是一个费时间的过程。制造一个含碳刹车盘的整个过程估计要几个星期，甚至几个月。在现代工业环境中，慢周期是不合乎要求的。最理想的是要能提供一种方法，这种用于制造碳-碳复合材料的方法有着低的成本和短的周期。

公开于此的本发明论及了制造碳-碳复合材料的那些主要缺点：费用和周期。正如黑格和莱克(“基于碳泡沫体的新型杂化复合物”材料研究学会研讨会论文集第270卷(1992年)第29-33页)所指出的，由中间相沥青形成网状碳泡沫结构是可能的。这种结构将基本上具有纤维状性能。这种泡沫体其后能用来补强，或形成一种具有多方面类似碳纤维增强复合物特性的复合材料。通过采用泡沫预制件而不是碳纤维便能使用成本较低的纤维前体，而且这种预制件能用简单的发泡工序形成，而不是采用制造针织式碳织物的、和针织预制件的、或制成通过随后的模压能将其压实的纤维预浸胶体的繁复方法。

使用泡沫预制件用于制造摩擦材料由昌奇等人公开于US4537823中。但是，它的优点在于：1)典型地，使用由中间相沥青形成的可石墨化的碳泡沫体，而不是使用玻璃碳泡沫体，2)利用含碳物质而不是高分子材料或结晶浆料填充孔隙空间，和3)形成具有细孔尺寸小于500μm的泡沫体，以便于随后致密。

由中间相沥青制成的碳泡沫体已公开于梅赫塔等人的“石墨化碳泡沫体：工艺设计和特性鉴定”，该文发表于1993年6月13～18日在纽约的布法罗召开的美国碳学会第21届双年度碳研讨会。这些泡沫体未经致密，因为这些泡沫体是用于不要求致密的轻结构的场合的。

含碳物质泡沫体已众所周知，还因用于吸收或用作过滤介质和催化剂等的载体，其制备方法已公开，并且通常是由往往产生非晶形或非晶性的碳的高分子前体(热固性和热塑性塑料)制成。

本发明包括使用能够生产出最终形成网状结构的碳泡沫预制件的各种前体，而这种网状结构会形成纤维状性能的支杆。这些支杆可以或者是结晶的、各向异性的可石墨化的碳，或者是各向同性的不可石墨化的碳，而对于结晶的各向异性的可石墨化的碳，如在现行沥青基质纤维中所发现的，在含碳泡沫体的支杆区(正如下面所定义的)内，高强度和高模量可以再现。泡沫体内的实心支杆区其长度可以是数十到数千微米，宽度上具有的直径为数十微米，剩下的互连孔隙的直径为数十到数百微米，以便在化学气相淀积(CVD)或液相致密之后能获得高的最终体积密度。泡沫体内的支杆区薄的特性，将使中间相前体碳中的微晶能够变得优先沿支杆的轴定向，从而模拟了碳纤维的显微结构。能对整体泡沫材料加以控制，以形成或是整体各向同性性能或是整体各向异性性能。前体包括中间相沥青，聚丙烯腈(“PAN”)和聚氯乙烯(“PVC”)，以及某些树脂，例如酚醇和糖醇树脂。沥青前体在热解过程中经历了液晶(中间相)的生成，并最终形成具有结晶序的碳。目前，中间相沥青是可以得到的，它已经具有液晶性能并是用于泡沫体的理想前体。当或者是沥青或者是树脂被用作含碳物质的前体时，术语“树脂”可认为是包括沥青的。希望能生产具有互连的(网状的)可控的孔结构的泡沫体，以便或者通过化学气相淀积(“CVD”)，诸如热等静压压制(“HIP”)、增压浸渍碳化(“PIC”)、真空压力渗透(“VPI”)之类的液相致密法，沥青或树脂注射法，或者通过这些致密方法的组合来进行致密。

本发明的目的包括：

(1)生产可石墨化的网状泡沫预制件，其中“支杆(strut)”结构模拟碳纤维的性能(以生产碳纤维预制件的直接替代品)。在发泡过程中，在支杆元件中的纤维状性能可通过应用液晶前体(例如中间相沥青)和在发泡过程中发生的应变效应(包括纵向的和剪切的)来获得(在发泡过程中和随后的热处理增强过程中引起的液晶沿支杆的排列)。

(2)生产不可石墨化的网状泡沫预制件结构和随后使可石墨化的材料淀积在支杆元件周围，以便模拟纤维的性能。可石墨化的材料可采用CVD方法来淀积或用液晶材料浸湿支杆表面。

(3)生产具有能采用以上讨论的常规方法进一步致密的网状结构的泡沫预制件。由网状结构形成的孔隙允许气体扩散到或液体浸入到结构的内部。

(4)生产适用于制造用作航空器刹车装置上摩擦材料的碳-碳复合材料的、适用于热力控制的、以及适用于结构用途的泡沫预制件。随后这种泡沫预制件用碳或可碳化材料或其它填料进行致密，以提高结构的、热或摩擦的性能，并生产摩擦材料、热力控制材料、或结构用材料。这种合成复合材料应具有摩擦材料、热力控制材料、和结构材料应用时所要求的结构的、热和/或摩擦的性能。

本公开发明具有以下胜过以前制造碳-碳复合摩擦材料的方法的优点：

(1)中间相沥青以及其它选用的热塑性前体生产高质量的结晶的可石墨化碳。此外，与在纤维增强复合材料中出现的不连续增强件相比较，碳泡沫体的支杆区具有连续网状纤维增强件。所以，泡沫预制件会导致改善传热。传热在航空器刹车装置散热片中和在热力控制材料中是一个需要考虑的重要事项。

(2)预计泡沫预制件的方法其费用固有地比在碳-碳复合材料中使用的碳纤维要低，因为所需的加工较少。

(3)用泡沫体有可能制造出形成精密形状的最终部件，因为泡沫体能容易地进行模压或挤压。

(4)预计泡沫预制件的整体性能是可控制的，并均匀地为各向同性或各向异性的。此外，预计可以运用各种工艺过程变量或后发泡工艺过程来控制材料性能的各向异性。

本公开内容提供了解决上述问题的方法和步骤，即制造碳-碳复合材料的方法，制成开孔式碳泡沫预制件和使用含碳物质致密该预制件的步骤，以便制成碳-碳复合材料。

图1是热处理至局部中间相状态后的固化沥青的抛光剖面照片；

图2是在通过模具挤压过程中，中间相晶体的排列的示意图；

图3是显示泡沫材料辉纹或排列的中间相泡沫体的照片；

图4是用于沥青基泡沫体的挤压成形系统的示意图；

图5是说明用于发泡的压力/温度循环的曲线图；

图6是说明用于发泡的假设粘度/温度关系的曲线图；

图7是说明当泡沫体的细孔开口时，因氧化造成的增重差的曲线图；

图8是用于稳定沥青泡沫体的系统的示意图；

图9～12是说明用于稳定沥青泡沫体的压力和温度循环的曲线图；

图13是在沥青泡沫体稳定化过程中用于提高氧气流量的真空/压力容器的示意图；

图14是压力和时间及在稳定化过程中由提高了的氧气流量造成的部件增重的曲线图；

图15是说明由图13的压力容器装置和空气循环烘箱引起的增重的曲线图；

图16是在沥青泡沫体稳定化过程中用于提高氧气流量的连续流量装置的示意图；

图17是由图16的装置提高了氧气流量引起的增重的示意图；

图18是说明按照本发明制造沥青泡沫预制件的压力/温度循环的曲线图；

图19是当本发明的材料被致密时密度增加的曲线图；

图20是说明本发明的摩擦材料的摩擦系数即刹车效率的曲线图；和

图21是说明按照本发明制成的摩擦材料的刹车扭矩曲线的曲线图。

制造适用于航空器刹车装置用途的含碳泡沫预制件的方法包括增压和瞬时释压，向热固性或热塑性物料中添加发泡剂等等的添加物。其长度为数千微米，直径或宽度为10～20微米，和直径为数十到数百微米的、尺寸可控制的互连孔隙或开孔，而对于有些上述的应用，其直径为10～30微米。如果是热塑性的，使泡沫材料成为热固性的方法是，使其经受氧化稳定处理，从而基本上使其成为不易熔的和低挥发的，借此在随后的碳化处理、热处理和致密过程中保持该泡沫结构不会毁坏。对于某些高温热塑性物料，稳定化处理可以减少或完全省去。对于热塑性物料，泡沫预制件的稳定化处理是在空气中在150～300℃温度下进行的。然后，稳定化泡沫体经过缓慢加热至900～1600℃进行碳化，以生产出碳化预制件。在碳化处理后，可以任选进行石墨化处理或热处理工序，以便生成适合于随后的致密处理的附加孔隙和/或改善支杆性能。然后对该预制件采用CVD、HIP、PIC、VPI、沥青或树脂注射法，或它们的组合等方法进行致密，并在中间或最后进行石墨化，以便把这种致密基体碳转变成石墨型。

通常，本方法的步骤可描述如下：

·前体：热固性的(有可能可石墨化)或热塑性的(一般为可石墨化的)

·发泡：利用气体或化学发泡剂实现过饱和

·稳定化处理：对由热塑性物料制成的泡沫体进行氧稳定化处理

·碳化处理：在900～1800℃下转化成碳

·任选的热处理：在1600～2800℃下对泡沫体进行石墨化处理，以改善支杆性能和/或以前致密预制件的整体孔隙率

·致密处理：多种方法：CVD；PIC；HIP；VPI；沥青或树脂注射法，或它们的组合(包括任选加入摩擦改良剂)

·热处理：在1600～2800℃下对复合材料进行石墨化处理以改善性能

制造泡沫预制件

适用于发泡的材料是三菱生产的AR沥青。这是一种100％各向异性中间相的合成萘衍生沥青。这种萘沥青前体是一种煤焦油衍生物。莫恰达等已在1995年2月的化学工程(Chemtech)第29页上“由芳香烃制成的碳纤维”一文中，对这种材料作了极好的综述。AR沥青的制备方法是利用HF/BF₃催化剂对萘进行催化聚合。

一般而言，各向异性的中间相是某些芳香烃在热解过程中出现的中间体。适合的中间相沥青前体可以包括石油、煤焦油或合成前体。当烃在惰性气体中进行热处理时，它缩聚成大的平面分子，经常同时有氢逸出。这些分子的分子量可以为500～1000或更重，而碳/氢之比约为1.5。当这些分子生长时，它们形成晶核并逐渐形成称为中间相的液晶相，它在各向同性基体中作为旋光球体出现。图1是热处理至局部中间相后的固化沥青的抛光剖面照片；见穆尔迪等人的“碳-碳基体材料”一文，该文刊登在由新泽西州Park Ridge的诺伊斯出版社1993年出版的碳-碳材料和复合材料的第105～167页上。可以把液晶相看做平面分子的堆积，作为在形成石墨片晶过程中的中间步骤。100％的中间相材料应完全由这种液晶材料组成。

在剪切过程中，如在抽丝时那样，中间相晶体将根据剪切应变进行排列。亦即，在将材料挤压通过模子形成纤维的过程中，片晶全都排列在同一方向的左右。这在图2上用示意图作了说明。

本发明包括这样的理论，即发泡会在树脂和/或中间相沥青前体中，引起如同其在通过模子挤压成型过程中所产生的那些类似的剪切应变。因此，由于在泡沫体的泡孔生成过程中局部出现了剪切，预期中间相材料要排列。这样，泡孔壁势必将优先形成排列好的石墨结构。

我们已证实了这种排列的出现，正如在图3上所见。呈球状的三菱生产的AR沥青样品在模子中受压。对其加热至300℃，紧接着用800psi的二氧化碳进行增压(压力通常应高于500psi)。最好是温度要高出材料软化点约10～50℃。然后在此温度下保持60小时，再冷却到275℃，并保持2小时以下，接着释压。因为中间相是旋光的，在图上可以看见泡孔周围的排列。在图3的左上方支杆上可看到辉纹。根据细孔之间的支杆上的辉纹，可以看见有大量的中间相结构的取向，从而赋予纤维状显微结构。

中间相沥青泡沫体的制备

为了制备具有商用价值的沥青泡沫体，要求采用挤压机。用于制备热塑性泡沫体的挤压成形系统都已熟知。用于制备泡沫体的典型的挤压成形系统示于图4上。将冷的沥青放入漏斗30中，然后由螺杆32将材料传送到右方。通过加热和剪切的组合作用，聚合物被熔化。其次，通过在筒体的出口34处抽真空对聚合物进行脱气。然后，挤压机28对聚合物加压直至注射口36。在注射口36附近，诸如氮或二氧化碳之类的惰性气体，按控制压力和流率，在入口37处被导入到挤压机28中，由此处向前，保持着高的压力以防止在挤压机28内发泡。沥青/气体混合物被传送到冷的挤压机38中，当沥青朝模子方向输送时，热交换系统在此处吸取热量。在模子的出口或排出口39处，压力突然释放，于是发泡发生。

用于发泡的压力/温度循环

利用1加仑的派勒高压釜对挤压机中用于树脂和/或沥青的典型增压/减压循环已作了模拟。使用了15～30克树脂样而不加其它添加剂。为了得到适合的细孔尺寸和支杆结构，实验的设计和在适合于此目的的挤压机中的试验已经完成。

用于高压釜实验的总的循环示于图5。所有的实验可由这些曲线描述。首先是温度升高，就像沥青在挤压机中正在熔化似的。然后有一个温度保持阶段，同时发生脱气。接着施加气体压力。再使沥青冷却到发泡温度，就像处于挤压机中冷却部件状态下。然后是压力被释放，就如沥青正退出模子。浸泡时间均比挤压机所预期的长得多，因为没有搅拌。在挤压机中的典型时间量级为10～20分钟，而在高压釜中的时间量级为数小时。

这种循环的理由是基于图6上大致所示的。气体在例如300℃的高温下被液化，此处溶解动力学都是高的，并由于熔化，沥青呈液态。气体溶解降低了粘度且溶化基本结束。然后温度降至约265℃，此处，在受压状态下，粘度仍是低的。液化气体使沥青成为可塑的。当释压后，塑化作用消失。同时发生有结构的发泡和凝固。

在最初的高温浸泡期间，使沥青置于1大气压力下，在增压之前和/或之后，用氮吹洗。有必要使沥青中的挥发物质逸出。否则，挥发物质就起不受控制的发泡剂的作用，从而得到不均匀的细孔尺寸。

已经发现，使泡沫材料保持在大约60～120℃的温暖状态下直至碳化，这是重要的，以防止泡沫材料产生裂纹。如果使泡沫材料冷却到低于上述温度范围，虽然泡沫材料将会是脆性的，但该材料仍可在随后的此处公开的工艺步骤中加以应用。

在发泡之后，要求用一种合适的方法来去除环绕网状结构的外层表皮。可以采用机械的或化学的方法来去除表皮。

各向同性热固性泡沫体的制造可以采用许多其它可供选择的发泡的方法，例如气体的过饱和，和化学发泡剂。若采用这种方法，不需要稳定化处理。

稳定化处理

当泡沫体由热塑性物料诸如中间相沥青制造时，在这泡沫体被加热到碳化温度之前，通过氧化的方法使该泡沫体交联可能是必要的。没有这一氧化(稳定化)步骤，沥青被加热后可能熔化。这个问题已众所周知。由沥青制成的碳纤维采用在空气氧化烘箱中加热的方法进行稳定化处理。在碳化过程中当泡沫体发胀时，便很容易看出氧化步骤失败了。使用溶剂化中间相沥青提供了在低温下发泡的能力，继之在高温下碳化而无需进行稳定化处理。

沥青泡沫体氧化的明显困难之一是确保泡沫体有足够的开式多孔结构，以便在氧化步骤期间使氧气能渗入到所有的细孔中。在以下的热解重量分析法中，用一个实例对这类问题作了阐明。

制备好二块如吹制的沥青泡沫体用于热解重量分析法。一块样品作为一块未作变动的泡沫体加以保留，而第二块样品则在研钵和研杵中研碎。它们均以每分钟升温5℃的速度加热到170℃，然后保持96小时。整个分析在流动的空气中进行。图7说明了重量的差别，这些重量差提供了明显的证据，说明在第一块整体泡沫体样品中有许多闭着的细孔。在氧化期间，空气不能渗入这些细孔，所以，氧化更加缓慢地发生着。通过研磨这种材料，所有闭着的孔隙被打开，于是空气中的氧气便容易地渗入第二样品材料。当然，这种分析或实验方法不适宜于生产，故需要一种方法，能得到易被氧化的开孔泡沫体。例如，正如在邦萨姆等人的US 4276246中所述的，基本为100％开孔孔隙率的材料是能获得的。可是，直接吹制含有高的开孔孔隙百分率的微孔泡沫体的努力通常导致了泡沫体非常易破。

第一种方法

我们相信由于某些孔封闭着而要求不完全的稳定化。也就是说，它们没有通向材料外部的通路。于是，要求某种打开孔的方法。通过将这些部件放入增压环境中，以下两种情况中的每种情况都可能发生。由于高的压差，封闭孔的壁可能破裂，或者部分的氧气压力梯度会增大，从而局部地增加了氧气扩散进入封闭区域的速率。于是，完全稳定化便能在更短时间内实现。实施本发明这部分的通用方法包括将由各向同性或中间相沥青制成的泡沫预制件放入填充有氮-氧混合物的高压釜中。使泡沫预制件经受压力高达1500psi的一次或更多次循环，同时加热到100-300℃之间长达100小时。在增压和加热期间，沥青材料的孔壁可能会破裂，同时沥青的稳定或交联可能发生。可以预见，氧在这混合体中百分率可以在0.002～0.2之间变动。

正如在图8中所阐明的，将泡沫样品10放入压力容器6中，并通过由压力调节器9调节的阀8准许氮-氧混合物7进入压力容器。压力由连接到控制器20的数字显示装置21上的传感器3进行监控。压力容器6由加热器4进行外部加热，而温度由热电偶11检测，并由程序控制器20进行控制。压力容器6内的压力经由排气管5减压。根据这套装置，一种用来打开泡沫材料的孔以允许进入空气的方法已研究出来。三菱AR沥青泡沫体样品被加热到100℃，保持大约1小时，然后利用1500psi的氮增压。使其在此压力下浸泡1小时，然后释压。接着这泡沫件在170℃下进行氧化96小时，从而造成8.5％的增重。这泡沫体接着在氮气中进行碳化至900℃(浸泡4小时)，造成重量损失21％。有很不明显的发胀现象。这样，本公开的方法产生了一种适用于随后可致密的泡沫体。可以采用一些变化的方法。在图9上示意地阐明了一种变化方法，这种方法利用标准空气使压力容器增压到150～1500psi达1分钟到1小时，然后减压，紧接着使温度沿斜线上升至100～250℃。应保持这温度长达96小时，然后使泡沫体冷却并取出。这个变化方法试图利用压力来破坏材料的孔壁，然后在1个大气压下加温便形成所要求的稳定化。图10表示另一种变化方法，它类似于图9上所阐明的变化方法，只是首先是升温，然后增加压力。图11表明的另一种变化方法是一开始加压到150～1500psi，并在这热循环期间内保持这压力。使高压釜温度斜线上升到100～250℃，然后保持96小时，接着使泡沫材料冷却并取出。这个变化方法同时实现了打开孔壁和增大氧气压力梯度。图12的变化方法类似于图11的变化方法，只是压力是循环的。

因为氧气扩散进入泡沫体结构和氧化产物流出泡沫体结构可能是非常困难的，故可以采用替换的稳定化方法。空气难以流入和流出泡沫体是泡沫体用作热绝缘的确切理由。因支杆的厚度而可能使这个问题恶化。虽然理想的支杆厚度是10～20微米，但和厚度约为10μm的沥青纤维相比，它们可以厚达100μm。这样，氧气一旦是在泡沫体中，氧气扩散进入支杆花费的时间比进入类似材料的纤维所花的时间要多。于是，除了上述氧化增压方法外，下面还公开了二种方法。每一种方法都提供了一种在稳定化过程中，提高氧气流入和反应物流出泡沫预制件的手段。

第二种方法

预制件被放入能加热到至少300℃的金属容器内，且同时抽空到小于250托(0.33大气压)。通过交替地抽气和进气，废气和反应产物随每次循环而被排出，同时新鲜空气加入。由于部件总是暴露在新鲜的反应剂中，于是反应便加快，并按照勒夏特列原理，这些产物被排出。

一种“铁肺”方法示意于图13。部件或预制件41被叠放在真空容器40中，优选地在部件或预制件中间放置垫片或它被放置在各个隔板上。预制件被加热到稳定化温度，该温度可在150°～300℃之间变化。对容器的加热可在外部或内部进行。

整个循环预计要花时不到24小时。在这时间内，真空泵开断交替循环，通过排气管42抽出空气和反向通气。这容器交替地被抽气降至小于250托，可能低至1托，然后再充以新鲜空气或其它氧化气体直至760托。压力-时间曲线的一种可能的波形示于图14。容器内的压力降低、46，然后上升、45，再保持在1个大气压附近、44。抽气和再充气的标称时间的量级各为20秒，而保持压力44的时间约为5分钟。这并不意味着排除阶梯函数、指数波形、正弦波形、或其它波形。最高频率只受抽汲能力的限制，但我们想象一个合理的频率范围是1/分钟～1/小时。对于每个系统有一个最佳频率，这取决于部件的尺寸、容器尺寸、选择的材料、反应速率、温度、投资和设备利用费用。按照氧化曲线43，部件重量增加到的最佳值约为8％。

“铁肺”装置和空气循环(蓝M)箱二者均在240℃下运作时的重量增益之间的对比说明示于图15。最初，铁肺表明有大的重量增益，不过，在大密封容器内采用小尺寸样品这个特定对比条件下，在铁肺方法的后阶段这一优点没有显示出来。一般相信当这个方法按比例扩大到产品级时，这密封容器或容器基本上将被泡沫体充满，而这样便对排出反应产物和供给反应气体这一需要将是必要的了。

第三种方法

实现上述目的的一个替代方法是将部件或预制件安放在加热炉内，而这样便有高的气体流量通过部件。在这个方法(风洞方法)中，部件被叠放在具有压力梯度的容器内。空气和/或氧化气体在一端以及沿侧壁的几个入口处导入，而在另一端同时有一台或更多台真空泵在汲取，从而在整堆部件的两端产生压力梯度。由于保证反应气体接触表面，同时反应产物被排出，这就实现了要求的目的。这风洞方法示意地示于图16。空气或其它氧化气体在一端50处导入。这气体也可沿侧壁53导入。预制件51用隔板间隔地支放，隔板在图上没有示出。容器两端的压差由一台高速率的真空泵52连续汲取来实现。预制件的增重54示意地示于图17。

二种方法都可采用内标尺来测量重量增益，以提供能指出何时稳定化基本结束的反馈变量。我们相信二种方法将达到所要求的目标。铁肺方法，从制造观点来看，可能较容易地实现和操作，而风洞方法预期会快些。这类含碳泡沫材料随后可以用碳或其它填充材料进行致密，它们可以用作热控制材料，结构材料，或摩擦材料，用于汽车业或航空航天业。

泡沫预制件可以利用溶剂化中间相沥青，采用上面概述的方法生产出来。中间相的“溶剂”分馏物一经去除，就能保证中间相沥青具有高于碳化开始温度的软化点。这样，在中间相可能软化之前便可碳化，借此省去了稳定化要求。

碳化处理

这方法中的下一步骤是碳化。本领域中的那些技术人员对这方法通常是熟知的。稳定化聚合物在蒸馏罐中在惰性或还原条件下被加热，直到分子结构中的氢和氧被馏出。典型地，本方法的实行办法是，将泡沫预制件掩埋在活化碳床中，用沙封将其封装在超耐热不锈钢蒸馏罐中。这蒸馏罐用氮缓和地吹洗大约1小时，以便实现内装空气的一些变化。接着在10～20小时内加热到900℃，然后由此再在1～2小时内加热到1050℃。蒸馏罐保持于1050℃下3～6小时，然后使其冷却一个晚上。碳化可在1800℃以内进行，但是，预计在这项处理期间去除附加的氢和氧的数量是小的。

热处理

如果要求改进支杆中碳的机械、热、和化学的性能，可使预制件在1600℃～2800℃内进行热处理。这样的一种处理对可石墨化的材料的影响是熟知的。正如采用诸如X射线衍射或喇曼光谱学那样的分析技术所测定的，较高的温度增加了材料中的有序度。较高的温度还增加了支杆中碳的热导率，以及弹性模量。但是，较高的温度往往也会有点降低强度。

这些材料的热处理方法非常类似于碳化处理所采用的方法。预制件被再次埋藏在活化碳中，以防止泡沫体高温表面氧化。可采用碳蒸馏罐，因为超耐热不锈钢不适用于在热处理中所出现的高温。一般采用氮气连续吹洗蒸馏罐的外表。在本方法中，我们用感应方式对环绕蒸馏罐形成一层外壳的石墨感受器加热，于是热量向内辐射到蒸馏罐。对热处理循环没有严格的限定。典型地，推荐以每小时50°的速率加热至1100℃，以便使部件受到的热冲击降至最低程度。从1100℃到峰值温度的加热速率可以是每小时100°。推荐在峰值温度下保持4小时，以便保证所有的预制件达到所要求的温度。冷却可在加热炉的自然冷却速率下完成，或将冷却速率控制到小于每小时100°，以使热冲击降至最低。

致密处理

对制作碳-碳复合材料有经验的那些人员，都熟知碳预制件致密的方法。最明显的技术是碳的化学气相淀积(CVD)，也称为化学气相渗透(CVI)，和沥青浸渍继之碳化。也可采用这些技术的组合。通常总是要求作多次致密循环。

在CVD/CVI方法中，碳化的、和任选热处理过的泡沫预制件在蒸馏罐中，在惰性气体覆盖层下，一般在低于100托的压力下被加热。当部件的温度达到900°～1200℃时，惰性气体被含碳气体例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯、或乙炔、或这些气体的组合所取代。正当预制件保持于此环境下时，含碳气体分解，碳淀积在预制件上，同时向烘箱的排气口排放氢气。淀积碳的结晶结构和晶序可加以控制，这取决于压力、温度、和气体组合物，从而产生从各向同性碳到高度各向异性的、有序的碳的任何东西。

利用沥青浸渍的整套方法是人所皆知的。真空压力渗透(“VPI”)是一种挑选用来最初使沥青渗入预制件的方法。对处于惰性条件下的预制件加热到远远超过浸渍沥青的熔点。于是，通过对预制件抽真空的方法将细孔中的气体排出。最后，当总压回复到一个大气压或以上时，使液态沥青再渗入部件。典型地，在大规模生产中，沥青是和预制件相分开，沥青在单独的一个容器内加热，例如通过FMI(Biddeford，ME)来实行。当到了要进行渗透的时候，利用封闭的管道将沥青从沥青储存器中输送到利用气体压力的存有部件的容器中，典型地，达到的最大压力是1个大气压。

在初步实验中，VPI的执行包括将部件埋藏于固态沥青粉粒中，在1大气压的惰性气体下加热直至沥青完全熔化。缓慢地抽真空(1英寸汞柱/分钟或更小)直至容器至少抽空到低于25英寸汞柱。然后使惰性气体的压力恢复到1～100大气压。接着可使预制件冷却或可立即继续碳化工序。

另一种用沥青浸透预制件的方法是不对称沥青注射法。在这方法中，预制件被流动的沥青在压力梯度作用下通过部件而渗透。当有足够量的沥青已被吸收时，便使这过程停止。

渗透了沥青的碳化可以或者在加热炉中、热等静压压机(HIP)中、高压釜中进行，或者在单轴热压机中进行。在这些技术的每一种里，在保持惰性环境于1～1000大气压压力的同时，浸渍的部件被加热到600°～1000℃。压力愈高，得到的碳产出量愈高，不过，最大的碳产出量的增量是在中等压力、最高达5000psi下达到。

热处理

通常要对预制件实施中间或最后热处理，以改进碳的晶体结构和晶序。本方法通常非常类似于上面所述的泡沫体的热处理。

最后的机加工

最后，将材料机械加工成摩擦材料或其它结构部件的适用形状。如有要求，可以涂覆氧化保护涂层或进行氧化保护处理。

摩擦材料实例

泡沫预制件用三菱AR合成中间相沥青ARA 24如下地制成。将170克的AR沥青料放置1加仑的钢质压力容器底部的铝箔器皿上。对该容器缓慢地加热，直至在盖上测得的温度是330℃为止。最好是温度高出材料软化点约10～50℃。在以前的实验中已发现，在树脂处的温度比盖上温度大约高24°。使氮气的压力增加到1600psi。在短时浸泡后，使温度降至当在盖上测时为290℃，或在树脂处估计为314°。使部件在290℃下保持4小时，然后迅速释压。接着使容器在6个小时的时间内冷却到室温。压力/温度循环示于图18。这泡沫预制件具有的开孔孔隙率大约为82％和细孔的平均尺寸为300～350μm。

接着使泡沫预制件在Blue-M空气循环烘箱内，在空气中用加热方法进行稳定化。缓慢地将该预制件加热到240℃(在约10小时内)，然后借助空气循环在240℃下保持96小时。接着使预制件缓慢地冷却到室温。

接着置泡沫预制件于备有超耐热不锈钢蒸馏罐的胡佩脱炭加热炉中进行碳化，方法是利用沙封，同时将预制件放置在活性碳床上。预制件在惰性环境中通过如下加热而被碳化：利用氮气对蒸馏罐缓和地吹洗约1小时，以完成内封空气的一些变化，然后，在吹洗完成的情况下，在15小时内将其加热到900℃，接着再在1.5小时内加热到1050℃。蒸馏罐在1050℃下保持4小时，然后使其冷却一晚上。

接着，用市场上买得到的阿莱特西格纳尔15V沥青，采用包括VPI(“真空压力渗透”)和PIC(“压力浸渍碳化”)的组合方法进行4次循环，按如下方法对泡沫预制件进行致密。在将部件浸入沥青的同时，将其加热到250℃。将容器抽空到小于100托。然后对容器增压到1600psi，接着使部件在受压状态下冷却。最后压力在室温时为1100psi。在检查之后，容器再被增压到700psi。容器被加热到大约600℃。在那段时间期间，压力达到约2100psi。这实验预制件的碳化方法是，利用上面所述的相同的炭化循环，在氮气中将其加热到1050℃。

利用15V沥青对预制件或部件进行再浸渍，方法是将其浸没在粉末状沥青中，同时加热到250℃。首先将容器抽空到低于100托，然后再增压到1600psi。在这种情况下，在冷却之前，要减压。在对容器进行检查和清洗之后，部件再次放入压力容器内，同时使该容器增压到700psi。该容器被加热到605℃的峰值温度，同时压力增加到1850psi。使该容器在受压状态下冷却，然后取出部件。该部件在氮气中被加热到1050℃而再一次被碳化。

对该部件进行第三次浸渍，再加热到250℃，抽真空，和再增压到1600psi。在这之后，部件在600℃和压力1960psi被碳化，然后在受压状态下冷却。最后，部件在惰性条件下，在氮气中加热到1050℃而完成炭化。

此时，利用上述部件加工成实验用测力计圆片。加工好的一对圆环其外径为2.188″，内径为1.375″，厚为0.27″。

进行第四次浸渍和碳化。上述圆环再次在粉末状15V沥青中加热到250℃。容器被抽真空，然后再增压到1600psi。使容器在受压状态下冷却。如以前那样进行增压碳化，首先增压到700psi，然后加热到600℃，再使压力上升到约1900psi。使容器在受压状态下冷却。这些圆环被炭化，方法是在惰性条件下加热到1050℃。

经过上述致密处理的部件的密度示于图19。密度显示为1.4g/cc，而这足以证实了本发明的原理。

于是，这些圆环在林克副标测力计上作20次刹车停机操作试验。这装置的惯量是0.1323 slug-英尺²。转子被加速到6400rpm，接着施加压力5001b。扭矩，压力和速度在每次整个停机过程中测出。在这试验过程中，刹车效率(摩擦系数)从最初值约0.1增加到稳定值约0.26。这效率曲线绘制在图20上。正如由这些实验和这材料的特性所确认的，本方法和实验部件清楚地证实了这材料作为摩擦材料使用的能力。利用对本方法作的附加的最佳化，这种摩擦材料及其性能可以得到改进。

本实验摩擦材料的扭矩性能具有许多所希望的特性。这摩擦材料在刹车停机过程中的典型的扭矩曲线示于图21，它还阐明了压力和速度二种曲线。扭矩曲线是平坦的，在停机末端则缓慢倾斜。在现行的常规材料中，在停机末端，扭矩曲线常常是增加的，从而通常导致不希望的噪音和振动的增加。

对本摩擦材料的磨损进行了测量并列表如下：

                  数值           单位

平均重量损失      0.036          克/表面/停机

平均线性磨损      0.000646       英寸/表面/停机

公开于此的本发明的方法和摩擦材料，包括采用致密方法的任何一种或几种组合作了致密的泡沫预制件，供在许多应用刹车和离合器组件的场合里使用，无疑地有着极大的潜力。

Claims (25)

1.一种制造碳-碳复合材料的方法，它包括以下步骤：制成开孔式碳泡沫预制件，和利用含碳物质致密该预制件，以便制成碳-碳复合材料。

2.按照权利要求1的方法，它还包括利用中间相沥青制造泡沫预制件的步骤。

3.按照权利要求1的方法，其中泡沫预制件是可石墨化的和不可石墨化的泡沫预制件中之一种。

4.按照权利要求1的方法，它还包括在预制件致密之前对其碳化的步骤。

5.按照权利要求4的方法，它还包括在预制件碳化之前对其进行氧稳定化处理的步骤。

6.按照权利要求1的方法，其中致密步骤包括以下方法中的一种：CVD，HIP，PIC，VPI，沥青和树脂注射法，和它们的任何组合。

7.按照权利要求1的方法，其中这些孔具有的平均尺寸小于500μm。

8.一种按照权利要求1制成的碳-碳复合材料。

9.一种碳-碳复合材料，它包括一种被增密含碳物质环绕的网格状(cellular)石墨化支承结构。

10.按照权利要求9的碳-碳复合材料，其中碳-碳复合材料包括一种航空器刹车盘。

11.一种制造摩擦材料的方法，它包括以下步骤：制成开孔式碳泡沫预制件，和利用含碳物质致密该预制件，以便制成该摩擦材料。

12.按照权利要求11的方法，它还包括在预制件致密之前对其碳化的步骤。

13.按照权利要求12的方法，它还包括在预制件碳化之前对其进行氧稳定化的步骤。

14.按照权利要求11的方法，其中致密步骤包括以下方法中的一种：CVD，HIP，PIC，VPI，沥青和树脂注射法，和它们的任何组合。

15.一种按照权利要求11制成的摩擦材料。

16.一种使含碳沥青材料发泡以制成含有平均孔尺寸小于500μm的网状(reticulated)泡沫体的方法，它包括以下步骤：增高温度至大约高出该材料的软化点10～50℃，接着增加压力到至少约为500psi，保持上述大约温度和压力一个时间周期，然后释压，以便沥青材料泡沫体能生产出含有平均孔尺寸小于500μm的含碳开孔式泡沫材料。

17.按照权利要求16的方法，它还包括在增压步骤之前或之后利用氮气进行吹洗的步骤。

18.按照权利要求16的方法，它还包括在增压步骤之前和以后利用氮气进行吹洗的步骤。

19.按照权利要求16的方法，它还包括保持含碳的开孔式泡沫材料处于温暖状态直至泡沫材料被碳化。

20.一种稳定含碳沥青材料以便接着进行高温加热的方法，它包括以下步骤：在含氧气的环境下增压至约150～1500psi和增温至约100～300℃，保持压力和/或温度大致恒定一个时间周期，接着降低压力和温度。

21.按照权利要求20的方法，其中压力和温度均都以大致相同的时间增加，保持，和降低。

22.按照权利要求20的方法，其中沥青材料被加热至并保持住此温度范围大约1小时，然后被增压至并保持住此压力范围大约1小时。

23.按照权利要求20的方法，其中含碳沥青材料包括在约为60～120℃的温度下使泡沫材料保持温暖。

24.一种用于含碳沥青基质泡沫体的氧稳定化处理的方法，它包括以下步骤：将泡沫体放入密封容器内，将泡沫体加热到温度约为150～300℃，同期地从密封容器中抽出含氧气体和重新输入含氧气体，以保持密封容器内有新鲜的反应性含氧气体供应。

25.一种用于含碳沥青基质泡沫体的氧稳定化处理的方法，它包括以下步骤：将泡沫体放入密封容器内，将泡沫体加热到温度约为150～300℃，在密封容器的一端输入含氧气体，而同时在密封容器的另一端抽取含氧气体，以便在泡沫体的两端形成压力差，和在密封容器里保持有新鲜的含氧气体供应。

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