ES2208913T3 - Densificacion de una estructura porosa (iii). - Google Patents

Densificacion de una estructura porosa (iii).

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ES2208913T3 ES97928349T ES97928349T ES2208913T3 ES 2208913 T3 ES2208913 T3 ES 2208913T3 ES 97928349 T ES97928349 T ES 97928349T ES 97928349 T ES97928349 T ES 97928349T ES 2208913 T3 ES2208913 T3 ES 2208913T3
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Abstract

UN PROCEDIMIENTO PARA LA DENSIFICACION DE UNA ESTRUCTURA POROSA QUE CONSISTE EN INCLUIR EN LA ESTRUCTURA UN CUERPO DE MATERIALES (13, 14) QUE COMPRENDA UN ELEMENTO SUSCEPTOR (14) QUE SEA MAS SUSCEPTIBLE A CALENTARSE DEBIDO A UNA RADIACION ELECTROMAGNETICA QUE EL OTRO MATERIAL (13) DEL CUERPO, EXPONER DICHA ESTRUCTURA POROSA A UN GAS DE HIDROCARBUROS Y APLICAR SIMULTANEAMENTE UN CAMPO ELECTROMAGNETICO A DICHA ESTRUCTURA POROSA CON LO QUE DICHO ELEMENTO SUSCEPTOR (14) PROVOCARA, AL MENOS EN PARTE, EL CALENTAMIENTO DE LA ESTRUCTURA POROSA A UNA TEMPERATURA EN LA QUE EL GAS QUE SE INFILTRA EN LA ESTRUCTURA POROSA DEPOSITE CARBONO DENTRO DE DICHA ESTRUCTURA POROSA.

Description

Densificación de una estructura porosa(III).
La presente invención se refiere a un procedimiento para densificar una estructura porosa, a una estructura porosa a densificar mediante el procedimiento de la presente invención, y a una estructura porosa densificada, como puede ser un elemento de fricción para un freno para aviones, que se ha formado utilizando el procedimiento de la presente invención.
La invención se refiere en general, aunque no exclusivamente, a la infiltración y densificación de una estructura porosa, tal como una estructura de cerámica o de fibra de carbón, que puede conformarse a fin de obtener un elemento preformado para un producto final o para utilizarlo en la obtención de un producto final.
Es un hecho bien conocido en la fabricación de un producto compuesto de carbono-carbono, tal como un elemento de fricción para frenos, que un cuerpo poroso preformado, que presenta aproximadamente la forma y las dimensiones deseadas del producto acabado, puede densificarse mediante procedimientos que incluyen infiltraciones de vapores químicos y deposiciones de material. Si bien el producto compuesto de carbono-carbono así obtenido posee varios atributos útiles, entre los que se encuentran una elevada resistencia al desgaste por rozamiento, el uso de dichas estructuras es limitado a causa de los costes elevados que se derivan de la lentitud del procedimiento de fabricación. Consideraciones similares pueden hacerse también en el caso de la fabricación y utilización de otros compuestos de matriz cerámica.
Los compuestos de carbono-carbono se fabrican frecuentemente mediante el procedimiento de infiltración isotérmica e isobárica de vapores químicos (CVI), en el que se difunde un gas de hidrocarburo en un cuerpo preformado y poroso de fibra de carbono a fin de depositar carbono en el cuerpo preformado. Para obtener una densidad final elevada y conseguir la microestructura deseada, el procedimiento de difusión y deposición se realiza en un entorno de alta temperatura y de baja presión, siendo el tiempo requerido para la realización del procedimiento considerable, por ejemplo, de entre 500 y 2.000 horas.
Es un hecho bien conocido que la velocidad de infiltración y deposición puede acelerarse utilizando el procedimiento denominado técnica de gradiente térmico. En particular, se establece un gradiente de temperatura en el cuerpo preformado, por lo que un frente de deposición se desplaza a través del cuerpo preformado, partiendo de la zona más caliente y alejándose progresivamente de ella a medida que aumenta la densificación de la zona más caliente. Esta técnica de gradiente térmico se expone en el documento US-A-5.348.774 (Golicki), que incluye la descripción de un procedimiento para formar el gradiente térmico, consistiendo el procedimiento en el calentamiento electromagnético de un núcleo de grafito que se ha dispuesto como elemento encajable en el orificio de un cuerpo poroso preformado de forma anular.
Si bien la técnica de gradiente térmico permite acelerar la velocidad de infiltración y deposición, presenta el inconveniente de que requiere el uso de equipos especiales y de procedimientos de control de proceso, cuyos costes contrarrestan los ahorros conseguidos con la disminución en la duración del proceso.
El documento EP 0 592 239 A2 describe otro procedimiento y equipo de la técnica anterior para densificar un cuerpo poroso que contiene un elemento más susceptor. En contraste con el procedimiento de densificación basado en el uso de un vapor según la patente US-A-5.348.774, este otro documento se refiere al uso de un líquido para la densificación.
Otro objetivo de la presente invención consiste en proporcionar un procedimiento mejorado para la densificación de una estructura porosa, así como una estructura porosa a densificar mediante el procedimiento de la presente invención y una estructura densificada formada con el procedimiento de la presente invención.
Según uno de los aspectos de la presente invención, se proporciona un procedimiento para la densificación de una estructura porosa anular, comprendiendo el procedimiento la dotación de la estructura con un cuerpo anular de un material que incluye un elemento susceptor que ocupa menos del 5% del volumen de la estructura porosa y que, al presentar una resistividad inferior a 10 microohmios-metro, es más susceptible de ser calentado por radiación electromagnética que el material del cuerpo, exponiéndose en dicho procedimiento la estructura porosa a un gas de hidrocarburo mientras se aplica simultáneamente un campo electromagnético a dicha estructura porosa, por lo que dicho elemento susceptor provoca el calentamiento de por lo menos parte de la estructura porosa a una temperatura a la que el gas, que se infiltra en la estructura porosa, deposita carbono en dicha estructura porosa.
La presente invención proporciona asimismo una estructura porosa anular a densificar mediante la infiltración de vapores químicos, comprendiendo dicha estructura porosa un cuerpo anular que incluye un elemento susceptor que es más susceptible de calentarse por radiación electromagnética que el material del cuerpo, encontrándose dicho elemento susceptor dispuesto de tal forma que, al exponerlo a un campo electromagnético, provoca el calentamiento de por lo menos parte de la estructura porosa a una temperatura a la que el gas, que se infiltra en la estructura porosa, deposita carbono en dicha estructura porosa.
El elemento susceptor puede consistir en un elemento de buena conductividad eléctrica, como se definirá posteriormente. Puede ser de un material que permanece tras la densificación en la estructura porosa del compuesto, o de un material que puede extraerse, por ejemplo, por calentamiento y fusión o evaporación, o por corte y/o maquinado de la estructura del compuesto.
Si el elemento susceptor ha de permanecer, tras la densificación, en la estructura del compuesto, entonces el elemento y los otros materiales de la estructura se seleccionan preferentemente de forma que consistan en materiales que no se degradan ni reaccionan entre sí.
Si bien la presente invención indica que basta con incorporar un único elemento susceptor en la estructura porosa, se prevé también el uso de una pluralidad de dichos elementos. Dicha pluralidad de elementos puede disponerse en capas coplanarias y/o superpuestas. Los elementos pueden superponerse directamente uno encima de otro u, opcionalmente, dejando una capa de material poroso entre ellos o de forma que se encuentran separados entre sí.
El/los elemento(s) susceptor(es) puede(n) disponerse en la estructura porosa de forma que proporciona(n) un efecto de calentamiento esencialmente uniforme, o se puede(n) disponer también el/los elemento(s) de forma no uniforme a fin poder establecer un gradiente térmico. Seleccionando entre la uniformidad u otra distribución en el efecto de calentamiento, se puede preseleccionar la uniformidad u otra variación en la velocidad de la deposición del carbono en el cuerpo poroso.
En la presente especificación, la referencia a un elemento susceptor de buena conductividad eléctrica significa un elemento de un material que presenta una resistividad, expresada en unidades de microohmios-metro, inferior a 10, y preferentemente inferior a 5. Se prefiere también que el elemento susceptor de buena conductividad presente una resistividad mayor que 0,02, y preferentemente mayor que 0,05 microohmios-metro, aunque lo más preferido es que sea mayor que 0,1 microohmios-metro.
La resistividad del material del elemento susceptor es preferentemente menor que la del material del cuerpo poroso y más preferentemente menor que una mitad de la del material del cuerpo poroso.
Un elemento susceptor puede ser del tipo tal que, al exponerlo a un campo electromagnético, alcanza un gradiente de temperatura a consecuencia, por ejemplo, de su resistencia no uniforme.
La frecuencia del campo electromagnético se escoge de la forma bien conocida para que el(los) elemento(s) susceptor(es) se caliente(n) de forma preferente.
La forma (y/u orientación) de un elemento susceptor se selecciona también preferentemente de forma que se produce un efecto de calentamiento preferente/eficiente. Para conseguir un buen efecto de calentamiento con el elemento susceptor de buena conductividad eléctrica, se prefiere generalmente que el elemento tenga la forma de un bucle cerrado eléctricamente conductivo, es decir, una forma anular.
La estructura porosa puede incorporar un único elemento susceptor de forma anular y de buena conductividad eléctrica o una pluralidad de dichos elementos. Dicha pluralidad de elementos puede disponerse de tal modo que los elementos quedan superpuestos de forma concéntrica, o de tal modo que se incluye una separación entre ellos y/o pueden presentar distintas dimensiones radiales.
Si el elemento susceptor es de un material laminar, entonces puede comprender unas aberturas o muescas que permiten formar una unión entre partes de otro material, entre las que queda intercalado el elemento susceptor, p.ej., al puentear el material de matriz. Un elemento susceptor de material del tipo laminar puede encontrarse además o alternativamente empotrado en la estructura porosa de tal forma que por lo menos una zona de canto está recubierta por el material de la estructura porosa, por lo que interconecta el material de la estructura porosa situado en distintos lados del elemento susceptor.
Entre los materiales apropiados para el elemento susceptor se encuentran el grafito, el acero, el tungsteno y el molibdeno.
Un ejemplo comparativo de un procedimiento de la presente invención, que permite fabricar un compuesto anular de carbono-carbono, comprende la fabricación de un cuerpo preformado con forma anular de fibras de PAN (poliacrilonitrilo) que, consistiendo en unas fibras precursoras de las de carbono, se tratan térmicamente a una temperatura inferior a la temperatura de grafitización, que es generalmente del orden de 1.500ºC, y se incorporan en el cuerpo preformado de un susceptor concéntrico y anular hecho de lámina de grafito. Un ejemplo de grafito laminar apropiado es el Sigrafoil® que comercializa la empresa SGL. Al someter el cuerpo a un campo electromagnético de alta frecuencia, la lámina de grafito se calienta rápidamente por inducción mientras que las fibras de carbono de menor conductividad eléctrica permanecen frías. La lámina caliente de grafito calienta subsiguientemente por conducción térmica las fibras de carbono.
Un cuerpo preformado poroso puede construirse, por ejemplo, disponiendo en una horma varias capas de tejido, o bien adhiriendo dichas capas entre sí con una resina, o con carbono u otro material que resiste la temperatura de deposición, o, también, cosiendo las capas de fibra o tejido para unirlas entre sí. El cuerpo preformado puede consistir en un estructura tejida multidireccional tal como una estructura de tejido tridimensional.
El material de la estructura porosa presenta por regla general una conductividad térmica inferior a 20 Wm^{-1}K^{-1}, siendo la gama preferida la de 8 a 15 Wm^{-1}K^{-1}. La conductividad térmica del material del elemento susceptor puede ser mayor que 50 Wm^{-1}K^{-1}, y es preferentemente mayor que 100 Wm^{-1}K^{-1}. El cociente entre la conductividad térmica del material del elemento susceptor y la de la estructura porosa es preferentemente inferior a 5:1, y con más preferencia inferior a 10:1.
El material del elemento susceptor ocupa preferentemente menos del 1% del volumen del cuerpo poroso y con más preferencia menos del 0,5% de dicho volumen.
Como es bien conocido por cualquier experto en la materia, hay toda una gama de gases, líquidos o vapores que pueden utilizarse como medio depositante. Un medio depositante de carbono, que es de bajo coste y muy fácil de conseguir, es el gas natural o el metano, aunque para las deposiciones de carbono también puede utilizarse un hidrocarburo cualquiera. También son bien conocidos los ejemplos de materiales que sirven para la deposición de carburo de silicona, como el metiltriclorosilano. En una técnica descrita en el documento US-A-4.472.454, se sumerge un cuerpo preformado y anular de fibra de carbono en un hidrocarburo líquido y el calentamiento electromagnético se realiza en combinación con un susceptor cilíndrico que comprende un mandril de grafito que pasa por su interior y que se ha dispuesto de tal forma que está en contacto térmico con el ánima del cuerpo preformado. Pero si se utiliza un cuerpo preformado como el expuesto en la presente invención, ya no resulta necesario utilizar un mandril de grafito que ha de encajar perfectamente, pudiéndose eliminar por tanto todas las limitaciones que impone el uso de un mandril.
Según otro aspecto de la presente invención, se proporciona un procedimiento para la densificación de una estructura porosa en el que se dota la estructura con un cuerpo de un material que incluye un elemento susceptor que ocupa menos del 5% del volumen del cuerpo poroso y que, al presentar una resistividad inferior a 10 microohmios-metro, es más susceptible de ser calentado por radiación electromagnética que el material del cuerpo, exponiéndose en dicho procedimiento dicha estructura porosa a un gas de hidrocarburo aplicando simultáneamente un campo electromagnético a dicha estructura porosa a fin de calentar dicho elemento susceptor a una temperatura a la que el gas, que se infiltra en la estructura porosa, deposita carbono en la estructura porosa. Además, la presente invención proporciona también una estructura porosa a densificar por infiltración de vapores químicos, comprendiendo dicha estructura porosa un cuerpo que incluye un elemento susceptor que ocupa menos del 5% del volumen del cuerpo poroso y que, al presentar una resistividad inferior a 10 microohmios-metro, es más susceptible de ser calentado por radiación electromagnética que el material del cuerpo, estando dicho elemento susceptor situado y dispuesto de tal forma que, al exponerlo a un campo electromagnético, provoca el calentamiento de por lo menos parte de la estructura porosa a una temperatura a la que el gas, que se infiltra en la estructura porosa, deposita carbono en la estructura porosa. El elemento susceptor ocupa preferentemente menos del 1%, y con preferencia menos del 0,5% del volumen del cuerpo poroso.
Se prevé que el procedimiento y el producto definidos en el párrafo anterior puedan utilizarse junto otro elemento cualquiera o varios de los otros elementos descritos en este documento.
La presente invención resulta ventajosa para la fabricación de un producto como un disco de freno para aviones hecho de un material compuesto de carbono, del que se requiere que sea especialmente resistente en la zona del canto y, en particular, en la zona muescada del canto en la que pueden encajarse muescas de posicionamiento para la transmisión del par torsor de frenado. La invención proporciona una vía eficiente para alcanzar una densidad elevada en la zona de canto.
A continuación se describe de forma exclusivamente ejemplar una forma de realización comparativa de la presente invención aplicada a un disco de freno para aviones, haciendo para ello referencia a los dibujos en los que:
la Figura 1 consiste en una vista en perspectiva de un disco de freno,
la Figura 2 consiste en una sección transversal de parte de un cuerpo preformado para el disco de la Figura 1, y
la Figura 3 consiste en una vista lateral de una capa de componentes del cuerpo preformado de la Figura 2.
Un disco de freno para aviones 10, como el ilustrado en la Figura 1 presenta un borde externo 11 provisto de muescas 12 separadas en la circunferencia y en las que pueden encajar las lengüetas postizas de una rueda de avión. La presente invención enseña en el ejemplo de esta forma de realización particular que la zona de borde 11 alcanza una mayor densidad que otras partes del disco si se dota la zona correspondiente de un cuerpo preformado para la fabricación del disco con una proporción mayor de elementos de buena conductividad eléctrica que otras zonas del cuerpo preformado para el disco. Esta mayor densidad en la zona de borde 11 se traduce en la mayor resistencia requerida para la transmisión de las cargas de torsión.
El cuerpo preformado para el disco 10 comprende capas de material preformado 13 de fibras de carbón (véase la Figura 2) de tipo conocido, que son convencionalmente de baja conductividad eléctrica. Este material incorpora capas 14 de Sigrafoil®, de las cuales algunas capas 14a se extienden entre los bordes radiales interno y externo del cuerpo preformado de disco y alternan con otras capas laminares 14b que se encuentran únicamente junto al borde radial cortante. Para la fabricación de un disco preformado con muescas, o que comprende zonas de menor densidad para el maquinado de las muescas, las capas laminares presentan un perfil externo muescado, como ilustra la Figura 3.
Después de haber calentado electromagnéticamente las láminas durante el procedimiento de infiltración de carbono y densificación, el disco resultante presenta una resistencia mayor en las zonas muescadas de transmisión, consiguiéndose este resultado sin incidir negativamente sobre las propiedades físicas deseadas de las superficies del disco de fricción. Al utilizar un material de buena conductividad eléctrica en el interior del cuerpo preformado, se consigue generar calor en el interior del cuerpo preformado en lugar de tener que conducirlo hacia el cuerpo preformado. Esto supone una reducción beneficiosa en los costes y tiempo de fabricación.
En algunas aplicaciones puede ser preferible evitar una alta densificación en las zonas de los bordes, en cuyo caso el material susceptor se situará principalmente en posiciones alejadas de los bordes.
Si bien la invención se ilustra en el caso de un disco de rotor, también puede aplicarse en la fabricación de un disco de estator.
Los resultados obtenidos en los dos ejemplos de verificación, que se describen a continuación y que se realizaron con cuerpos dotados y no dotados de elementos con buena conductividad eléctrica, ilustran el efecto importante de generación de calor que produce el material susceptor incluido en un cuerpo preformado.
Ejemplo 1 (comparativo)
Se creó un disco sólido y libre de resquicios, que presentaba unos 50 mm de diámetro y 25 mm de espesor, a partir de género no tejido producido con agujas oxidadas de estructura acrílica, que se troquelaron y carbonizaron por calentamiento en una atmósfera inerte a 1.025ºC.
Se dispuso el cuerpo preformado en un tubo transparente de sílice que estaba rodeado de una bobina de inducción y de un flujo de gas de nitrógeno. Un generador, que funcionaba a la frecuencia de 450 kHz, hacía pasar una corriente por la bobina, mientras se observaba el cuerpo preformado con un pirómetro óptico. Tras unos 5 minutos ya no se detectó ningún aumento de temperatura.
Ejemplo 2 (comparativo)
Se fabricó como en el Ejemplo 1 un cuerpo preformado con un anillo de lámina de grafito de poco espesor. El anillo presentaba un diámetro exterior de 50 mm y un diámetro interior de 25 mm.
El cuerpo preformado se sometió, como en el Ejemplo 1, al efecto de una bobina de inducción y, transcurrido 1 minuto, se midió en el borde de la lámina de grafito una temperatura de 1.100ºC. El resto del cuerpo preformado no presentaba ningún aumento mensurable en la temperatura.
La presente invención proporciona, además del aumento en la velocidad de deposición, un control mejorado de la deposición de carbón. Por consiguiente, se pueden crear densidades optimizadas de deposición en el centro de un cuerpo preformado y evitar los problemas de poca densidad que se producen en el centro de los cuerpos preformados gruesos, según las observaciones realizadas con impregnaciones isobáricas e isotérmicas de vapor de carbón.
La presente invención facilita asimismo considerablemente la flexibilidad en el control de la densificación, pudiéndose conseguir con el establecimiento del gradiente térmico deseado la deposición apropiada para satisfacer los requisitos específicos exigidos a un producto. Debe señalarse en este contexto la presentación de una solicitud de patente europea relacionada con la presente solicitud y realizada con la misma fecha que la de la presente solicitud, que reivindica lo siguiente:
Solicitud nº 97928347.0 - (Publicación EP-A-0.912.459 - Referencia del agente: P02393PCT(EP)) Procedimiento para densificar una estructura porosa (13) que comprende la dotación de dicha estructura con un cuerpo de un material (13,14) y un elemento susceptor (14), comprendiendo el procedimiento asimismo la exposición de dicha estructura porosa a un gas de hidrocarburo, sometiéndose simultáneamente dicha estructura a un campo electromagnético, por lo que dicho elemento susceptor provoca el calentamiento de por lo menos parte de la estructura porosa a una temperatura a la que el gas, que se infiltra en la estructura porosa, deposita carbono en la estructura porosa, por lo que dicho elemento susceptor comprende (i) una lámina conductora de electricidad (14), que se encuentra en el interior del cuerpo y que, al presentar una resistividad menor que 20 microohmios-metro y mayor que 0,02 microohmios-metro, es más susceptible a ser calentada por radiación electromagnética que el material del cuerpo, y (ii) ocupa menos del 5% del volumen de la estructura porosa.
Solicitud nº 97928348.8 - (Publicación EP-A-0.935.590 - Referencia del agente: P 02397 PCT(EP))
1.Procedimiento para densificar una estructura porosa (13) que comprende la dotación de dicha estructura con un cuerpo de un material (13) y un elemento susceptor (14), comprendiendo el procedimiento asimismo la exposición de dicha estructura porosa a un gas de hidrocarburo, sometiéndose simultáneamente dicha estructura a un campo electromagnético, por lo que dicho elemento susceptor provoca el calentamiento de por lo menos parte de la estructura porosa a una temperatura a la que el gas, que se infiltra en la estructura porosa, deposita carbono en la estructura porosa, caracterizándose el procedimiento porque el elemento susceptor comprende fibras con una relación entre longitud y diámetro inferior a 10:1 y ocupa menos del 5% del volumen de la estructura porosa.
Las reivindicaciones de la presente patente excluyen el contenido de las reivindicaciones de estas solicitudes de patente.

Claims (6)

1.Procedimiento para densificar una estructura porosa (13) que comprende dotar la estructura con un cuerpo de un material (13) y un elemento susceptor (14), exponer dicha estructura porosa a un gas de hidrocarburo y someter simultáneamente dicha estructura a un campo electromagnético, de modo que dicho elemento susceptor provoca el calentamiento de por lo menos parte de la estructura porosa a una temperatura a la que el gas, que se infiltra en la estructura porosa, deposita carbono en la estructura porosa, y de tal modo que dicho elemento susceptor comprende un material que, al presentar una resistividad inferior a 10 microohmios-metro, es más susceptible a ser calentado por radiación electromagnética que el material del cuerpo, y ocupa menos del 5% del volumen de la estructura porosa, sin incluir un elemento susceptor que comprende una lámina conductora de electricidad, cuya resistividad es mayor que 0,02 microohmios-metro, y/o un elemento susceptor que comprende fibras con una relación entre longitud y diámetro inferior a 10:1.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que la resistividad es menor que 5 microohmios-metro.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, en el que el material del elemento susceptor ocupa menos del 1% del volumen de la estructura porosa.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en el que el material del elemento susceptor ocupa menos del 0,5% del volumen de la estructura porosa.
5. Estructura porosa a densificar por infiltración de vapores químicos, comprendiendo dicha estructura porosa (13) un cuerpo que incluye un elemento susceptor (14), que comprende un material que presenta una resistividad menor de 10 microohmios-metro y por tanto es más susceptible a ser calentado por radiación electromagnética que el material del cuerpo, y que ocupa menos del 5% del volumen de la estructura porosa, estando dicho elemento susceptor ubicado y dispuesto en el cuerpo de tal forma que, al exponerlo a un campo electromagnético, provoca el calentamiento de por lo menos una parte de la estructura porosa a una temperatura a la que el gas, que se infiltra por la estructura porosa, deposita carbono en la estructura porosa, sin incluir un elemento susceptor que comprende una lámina conductora de electricidad, cuya resistividad es mayor que 0,02 microohmios-metro, y/o un elemento susceptor que comprende fibras con una relación entre longitud y diámetro inferior a 10:1.
6. Disco de freno (10) para aviones de un material compuesto de carbono, que se ha fabricado utilizando un procedimiento según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4.
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