ES2213575T3 - Preformas de cuerdas para articulos reforzados con fibras y procedimiento para la produccion de las mismas. - Google Patents

Abstract

Una preforma para su uso en la fabricación de un artículo compuesto que tiene la forma de una estera generalmente circular compuesta por una disposición de fibras dispuestas dentro de los límites de la preforma definidos por las caras circulares superior e inferior de la estera, caracterizada porque las fibras en dicha disposición se disponen como cuerdas de un círculo en un amplio intervalo de orientaciones en todo el espesor de la estera.

Description

Preformas de cuerdas para artículos reforzados con fibras y procedimiento para la producción de las mismas.

Campo de la invención

Esta invención se refiere a preformas de fibra continua para compuestos reforzados y a los compuestos que contienen dichas preformas. Más en concreto, esta invención se refiere a preformas de fibra de carbono que comprenden tiras continuas de fibra de carbono dispuestas como cuerdas de un círculo para formar una pieza con forma de red.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere concretamente a compuestos mejorados de fibra de carbono-carbono dirigidos para su uso en aplicaciones en las que se tendrán tensiones de cizallamiento, por ejemplo, al estar sometidos a una tensión circunferencial. Un primer ejemplo de tal uso es un disco de fricción empleado en un freno de disco. Tales discos son esencialmente de forma anular, teniendo al menos una superficie en cada disco dotada de una superficie de fricción. El frenado se lleva a cabo mediante el contacto entre las superficies de fricción de los discos, con lo que se convierte en calor la energía mecánica del freno en rotación. Además de aguantar la tensión de cizallamiento, se exige a los discos actuar como sumideros de calor, absorbiendo grandes cantidades de calor. Debido a su resistencia, densidad, capacidad calorífica, conductividad térmica, coeficiente de fricción y estabilidad hasta su temperatura de sublimación (aproximadamente 3600ºC), el carbono ha sido particularmente atractivo para su uso en la construcción de tales frenos de disco, en concreto cuando el peso constituye una consideración importante, como en aviación. La resistencia y la rigidez de un compuesto se controlan mediante la orientación de las fibras de refuerzo de la matriz. Cuando las fibras de refuerzo son rectas y continuas, las tensiones se transfieren eficientemente a través del compuesto en la dirección de la fibra. Si las fibras de refuerzo están plegadas o son discontinuas, la eficiencia cae al transferir las tensiones fuera del refuerzo y a través de la matriz.

En la técnica anterior, los compuestos se han fabricado generalmente mediante la orientación o alineación direccional del componente de fibra de carbono, lo que generalmente se ha considerado necesario a fin de aprovechar la resistencia de la fibra y mejorar las propiedades mecánicas del compuesto. La fabricación del compuesto con la orientación de fibra deseada se lleva a cabo más fácilmente mediante el uso de fibra de carbono continua, y tal fibra se ha preferido a la fibra discontinua para estas aplicaciones. Las formas primarias de fibra continua empleadas en la fabricación de compuestos incluyen tejido urdido o cintas unidireccionales para su uso en estructuras apiladas, e hilo o tira de fibra continua, que se usa para urdir con filamentos formas cilíndricas huecas y estructuras trenzadas.

Por ejemplo, en la patente de EE.UU. nº 4.790.052, de Orly, se producen frenos compuestos de carbono usando el apilamiento isotrópico de mallas unidireccionales como refuerzo. Estas mallas se apilan de manera que se forman ángulos de aproximadamente 0º/-60º/+60º entre los filamentos de capas sucesivas de la estructura. Aunque el apilamiento total de mallas es casi isotrópico, cada malla es un refuerzo extremadamente desequilibrado que debe aguantar la transferencia de fuerzas multidimensionales a través de una malla reforzada unidireccional. En puntos de carga, como en los pitones de un disco de freno, se generan tensiones interlaminares muy grandes que pueden causar su rotura mediante deslaminación. Para resistir estas tensiones, se usa un muy alto grado de enfurtido a fin de añadir refuerzo a través del apilamiento, lo que plegará las fibras de refuerzo y reducirá su efectividad. El procedimiento de Orly también tiene inconvenientes económicos y de rendimiento. El procedimiento es complejo y lleva a una utilización muy pobre del material, pues se usan mallas unidireccionales que son rectangulares para piezas de forma anular.

Una mejora del procedimiento de Orly se realizó en la patente de EE.UU. nº 5.184.387, de Lawton. En Lawton, una capa unidireccional de filamentos se somete a enfurtido para proporcionar estabilidad dimensional. La capa se corta entonces en una pluralidad de segmentos con forma de arco y esos segmentos se ensamblan uno junto a otro para producir una forma anular. Este procedimiento similar al usado en la industria del vestido reduce el desaprovechamiento del material y permite cortar la capa de tal modo que los filamentos corran radialmente en algunos segmentos y circunferencialmente en otros. Este procedimiento proporciona un apilamiento 0/90º en el que los filamentos de una capa superpuesta de segmentos se disponen en un ángulo de 90º respecto a los filamentos de una capa inferior de segmentos. El compuesto resultante es menos isotrópico que el de Orly y requiere además un alto grado de enfurtido para evitar deslaminaciones.

Otro procedimiento adicional se describe en la patente de EE.UU. nº 5.217.770, de Morris y col. Este procedimiento usa una malla de trenza anular para formar una estera que se enfurte después a fin de formar una estructura tridimensional. La trenza contiene fibras helicoidales urdidas a aproximadamente 40 grados y fibras unidireccionales que se convierten en circunferenciales durante su fijación. Una o más trenzas se usan para rellenar el anillo de freno, el cual se enfurte después. Este procedimiento consigue una pieza con forma casi de red, con fibras orientadas para soportar cargas circunferenciales y de cizallamiento. Sin embargo, usar trenzas para construir la estructura es una operación textil compleja que incrementa el coste. Además, el volumen y el ángulo de la fibra helicoidal no son uniformes en todo el anillo debido al uso de una trenza tubular para formar un anillo. Cuando una trenza recta se curva en anillo, las fibras de la trenza están forzadas a aproximarse en la periferia interior del anillo y se apartan en la periferia exterior del anillo, cambiando sus ángulos y la densidad de la fibra.

Como se ha apuntado, el enfurtido se usa ampliamente en las técnicas textiles para fortalecer estructuras de tejidos apilados y mejorar la integridad estructural. Descritas en general, las operaciones de enfurtido se llevan a cabo normalmente haciendo penetrar agujas dentadas a través de las capas apiladas en la dirección del espesor. Una parte de la fibra dentro de las capas de tejido es reunida por los dientes y recolocada en la dirección del espesor, reforzando las capas de tejido individuales, así como el apilamiento. Si las fibras que constituyen las capas son continuas, la operación de punzado con agujas rompe necesariamente filamentos individuales cuando se reorientan. Para evitar o al menos minimizar dicha rotura, se han usado procedimientos mejorados en los que se incluye fibra básica dentro de la estructura, bien como parte de la capa de tejido o como capas alternadas de láminas de fibra básica, a fin de proporcionar fibra básica a las agujas para su reorientación en la operación de punzado con agujas. Las operaciones de punzado con agujas se han empleado en la técnica con lámina y cinta de fibra de carbono a fin de proporcionar estructuras preformadas que tengan una buena integridad para su uso en la producción de compuestos reforzados de fibra carbono-carbono.

El alto grado de alineación de la fibra dentro de la estructura de estos compuestos de la técnica anterior pretende aprovechar la resistencia y la estabilidad dimensional de la fibra de carbono. Sin embargo, los compuestos que tienen el contenido total de fibra alineado en una única dirección son altamente anisotrópicos en sus características, mostrando un alto grado de resistencia y estabilidad dimensional en la dirección de la fibra, en tanto que adolecen de propiedades de resistencia grandemente reducidas y una pobre estabilidad dimensional en la dirección transversal. Para asegurarse de que la resistencia del compuesto, así como sus características de transferencia de calor y otras propiedades importantes son razonablemente uniformes, y para minimizar la contracción unidireccional que puede causar deformación y distorsión, la dirección de la fibra se varía en todas las partes de las estructuras de la técnica anterior, confiriendo un poco de carácter isotrópico al compuesto. La lámina, sin embargo, adolece aún de efectos anisotrópicos. Cuando se usa tejido más caro o un material semejante, el fabricante aún tiene que recurrir a variar la orientación de las fibras entre capas sucesivas de la estructura, por ejemplo, usando una orientación 0/90º en una capa, +/- 45º en la siguiente, etc., con lo que se proporciona un compuesto que tiene menos características anisotrópicas en el nivel de lámina y que es casi isotrópico en el conjunto. Como se ha descrito más arriba, la urdimbre tridimensional, el punzado con agujas y operaciones similares se emplean a menudo para añadir orientación de fibras en la dirección del espesor y mejorar las propiedades de resistencia entre capas y para acomodar estas tensiones anisotrópicas. Sin embargo, una preforma con carácter isotrópico en toda la estructura, especialmente en el nivel de lámina, sigue siendo difícil de alcanzar con el refuerzo de fibra.

Los procedimientos actuales para producir compuestos reforzados de fibra de carbono-carbono dan muestras de más inconvenientes. Para muchas aplicaciones, las piezas de carbono acabadas se hacen generalmente con dimensiones precisas, y su producción requiere llevar a cabo operaciones extensivas de moldeado y mecanizado sobre piezas en bruto de compuesto de fibra carbono-carbono carbonizadas o completamente grafitizadas. Las operaciones de mecanización de precisión son caras y difíciles de realizar, y se precisa de un gran cuidado con los compuestos de fibra de carbono-carbono para evitar roturas u otros daños. Las piezas en bruto de carbono que tengan sustancialmente la forma y dimensiones finales, denominadas piezas en bruto de forma neta, reducirían la cantidad de mecanización necesaria y rebajarían significativamente los costes. Sin embargo, las preformas carbonizadas son generalmente desmenuzables y no pueden ser moldeadas o conformadas fácilmente. Así pues, construir preformas conformadas a partir de tejido con capas o láminas de fibra requiere generalmente cortar piezas componentes que tengan la forma final deseada a partir de láminas de tejido antes de apilarlas y punzarlas con agujas. Tales operaciones de corte son derrochadoras y producen cantidades considerables de recortes de tejido. Incluso si se encuentran procedimientos adecuados para reciclar los recortes, la producción y el reprocesado de los recortes incrementan aún más las cargas de energía y de eliminación de residuos ya impuestas sobre el procedimiento de fabricación, aumentando significativamente el coste total de producción del artículo de carbono.

Se han descrito también en la técnica procedimientos para conformar mallas no urdidas de fibra de carbono, como, por ejemplo, en la patente de EE.UU. nº 4.032.607, de Schulz. De acuerdo con los patentadores, se pueden conformar mallas particularmente atractivas a partir de brea en mesofase mediante el hilado de la brea derretida o fundida, la formación de capas al aire o en agua con la fibra resultante según se hila o después de haber sido troceada, y termoendureciendo u oxidando en aire la malla no urdida para estabilizar la estructura antes de carbonizarla. Generalmente, las mallas resultantes están compuestas de filamentos aleatorios en vez de conjuntos de filamentos o tiras, y toman la forma de enfurtidos y papeles finos de baja densidad con densidades de volumen muy bajas, generalmente por debajo de aproximadamente 0,3 gr/cm^{3}. Las mallas no urdidas pueden ser adecuadas para su uso en el conformado de estructuras de fibra de carbono-carbono por capas, de la misma manera que las cintas y tejidos de fibra continua, mediante el empleo de operaciones de formación de capas y punzado con agujas de la técnica anterior como las que se ha descrito anteriormente. Incluso después del punzado con agujas, las estructuras que comprenden filamentos tan grandemente aleatorizados tendrán generalmente un menor volumen de fibra y consecuentemente una muy baja densidad. Tales estructuras no proporcionan las ventajas de resistencia obtenidas generalmente cuando se usan estructuras densas y de gran volumen de fibras que comprenden fibras continuas alineadas y orientadas, tanto en forma de urdimbre textil como en forma de cinta de fibra unidireccional.

También se describen en la técnica los cuerpos de carbono reforzados con fibra de carbono urdida circunferencialmente descritas en la patente de EE.UU. nº 3.867.491, en la que fibras de refuerzo se urden con holgura, hasta una anchura mayor que el espesor axial del cuerpo de carbono deseado.

La patente GB 2.013.294 describe la fabricación de frenos de disco mediante la envoltura de una banda que contiene carbono impregnada con un agente adhesivo alrededor de un núcleo de freno de disco.

Un procedimiento para fabricar preformas de fibra de carbono y compuestos de fibra de carbono-carbono que tengan propiedades superiores de resistencia y buenas características térmicas a partir de fibra sustancialmente continua, preferentemente en forma casi neta y evitando el uso de cintas, fibras o mallas unidimensionales que muestran una resistencia reducida y una pobre estabilidad dimensional en la dirección transversal, sería particularmente valioso en la técnica de los compuestos de carbono.

Así pues, es un objetivo de la presente invención proporcionar compuestos reforzados mejorados. Es un objetivo adicional el proporcionar estructuras reforzadas de fibra de gran resistencia para materiales compuestos. Es un objetivo adicional de la presente invención conformar una preforma de disco de fricción de forma casi neta circular o anular que resulte en un menor derroche de la cara fibra de refuerzo.

De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se proporciona una preforma para su uso en la fabricación de un artículo compuesto, estando en la forma de una estera generalmente circular compuesta de una disposición de fibras dispuestas dentro de los límites de la preforma definidos por las caras circulares superior e inferior de la estera, caracterizada porque las fibras en dicha disposición se disponen como cuerdas de un círculo en un amplio intervalo de orientaciones en todo el espesor de la estera.

La invención proporciona adicionalmente el uso de dichas preformas para fabricar discos de fricción que comprenden tiras de fibra de carbono dispuestas como cuerdas de un círculo, en las que el ángulo y la colocación de dichas cuerdas se selecciona para optimizar las propiedades de resistencia, de rigidez y de fricción en varios planos del disco de fricción.

También se proporciona de acuerdo con la invención un procedimiento para fabricar preformas de la forma definida anteriormente que comprende los pasos de urdir una fibra según las cuerdas de un círculo alrededor de un mandril con puntales para rellenar la figura de la preforma uniformemente y conformar una preforma de forma casi neta.

Se apreciará que las preformas pueden producirse de acuerdo con la invención usando fibras de refuerzo que están dispuestas como cuerdas de un círculo según numerosos ángulos y que permanecen tan rectas y continuas como sea posible a través de la preforma para maximizar la efectividad de refuerzo. Es un aspecto adicional de esta invención el proporcionar un disco de fricción de propiedades nominalmente isotrópicas en el plano con un amplio intervalo de orientaciones de la fibra en el nivel de lámina y en todo el compuesto. Finalmente, es una ventaja de la invención el proporcionar un procedimiento para fabricar una preforma de disco de fricción que puede ser fácilmente modificado para cambiar el tamaño de tira, el número de tiras usadas y los ángulos de cuerda seleccionados en la urdimbre a fin de optimizar las deseadas propiedades mecánicas y de desgaste de un freno de carbono/carbono.

Breve resumen de la invención

Preformas de cuerdas que tengan una estructura de fibra tridimensional adecuadas para su uso como refuerzo en la fabricación de compuestos y convenientes concretamente para su uso en la producción de compuestos reforzados de fibra de carbono-carbono de alta resistencia y alta conductividad térmica pueden producirse disponiendo fibras como cuerdas de un círculo para rellenar el círculo, o un anillo dentro del círculo, o una superficie de fricción que se enfurte entonces con agujas mediante un enfurtido tridimensional. El disponer las fibras de refuerzo como cuerdas de un círculo, para geometrías estándar, crea una preforma o una porción de una preforma que es sustancialmente isotrópica en el nivel de lámina y que contiene tiras de fibra de refuerzo que son no-unidireccionales y suficientemente rectas para alcanzar efectividad de refuerzo. El enfurtido sirve para incrementar la densidad de la estructura y para reorientar una porción de las fibras en la dirección del espesor a fin de mejorar las características de integridad y de resistencia. La preforma puede producirse convenientemente de modo directo a partir de las fibras como una preforma de forma neta que tiene la forma general completa del producto final, junto con dimensiones ajustadas para acomodarse a la contracción que puede ocurrir durante el subsiguiente tratamiento térmico. El procedimiento de urdimbre de forma neta minimiza la producción de recortes y el derroche concomitante que aparece en los procedimientos de la técnica anterior durante la fabricación de tejidos, láminas y cintas de refuerzo de elevada resistencia, y reduce la necesidad de realizar operaciones extensivas de mecanización y moldeado.

La preforma preferida comprenderá generalmente fibra de carbono y, aunque hecha sin recurrir a adherentes o materiales semejantes, la resistencia mecánica de la preforma será adecuada para aguantar las operaciones subsiguientes de fabricación de compuestos de carbono, incluyendo infiltración con carbono pirolítico o impregnación con un relleno carbonizable y su subsiguiente carbonización. La preforma puede también tener aplicación en la fabricación de matrices de resina termoendurecida y termoplástica reforzada con fibra, y estructuras compuestas con matriz de metal y matriz de cerámica.

Un compuesto denso de fibra de carbono-carbono puede ser fácilmente producido mediante la deposición de carbono pirolítico dentro de las preformas inventadas usando procedimientos conocidos de deposición de vapor químico y operaciones de infiltración generalmente conocidas y ampliamente empleadas en la técnica de compuestos. Alternativamente, la preforma puede impregnarse con un relleno carbonizable, tratarse bajo presión y calor, y calentarse adicionalmente para carbonizar el relleno junto con cualquier componente de fibra de brea presente, proporcionando en consecuencia un compuesto denso de fibra de carbono. Se pueden emplear múltiples operaciones de infiltración o impregnación si es preciso para producir un producto que tenga la densidad deseada, y los procedimientos pueden usarse en combinación. Según se usa aquí, el término "carbono" pretende incluir carbono desgrafitizado y grafitizado. Así pues, las preformas de fibra de carbono pueden comprender fibras de refuerzo de carbono grafitizado o parcialmente grafitizado o una mezcla de las mismas, y compuestos de fibra de carbono-carbono que comprendan dichos refuerzos embebidos en una matriz de carbono grafitizado o parcialmente grafitizado. Los artículos en los que la matriz, y posiblemente la fibra, se encuentran aún en el estado termoendurecido están también incluidos.

Así pues, en una realización, esta invención proporciona una preforma en la que el 5-100% de las fibras se disponen como cuerdas de un círculo. En otra realización, esta invención proporciona una preforma compuesta que comprende fibras dispuestas como cuerdas de un círculo para proporcionar una preforma que es sustancialmente isotrópica en el nivel de lámina con respecto a sus propiedades de resistencia, rigidez y térmicas. En otra realización, esta invención proporciona una preforma de fibra de carbono que comprende tiras de fibra de carbono dispuestas como cuerdas de un círculo para proporcionar una preforma que es sustancialmente isotrópica en el nivel de lámina con respecto a sus propiedades de resistencia, rigidez y térmicas. En otra realización, esta invención proporciona una preforma de fibra de carbono que es equilibrada y simétrica alrededor de cualquier eje o punto central y que comprende sustancialmente tiras de fibra de carbono continua dispuestas como cuerdas de un círculo de tal modo que se usan diferentes ángulos de cuerda en varios planos de la preforma, de forma que se optimizan las propiedades necesarias en diferentes planos de un disco de desgaste. En otra realización, esta invención proporciona una preforma de fibra de carbono que comprende sustancialmente tiras de fibra de carbono continua dispuestas como cuerdas de un círculo y fibras troceadas dispuestas en la preforma y preferentemente alineadas en la dirección del eje z. Otra realización proporciona un procedimiento para fabricar una preforma de fibra que comprende la disposición continua de fibras como cuerdas de un círculo mediante la urdimbre de las fibras alrededor de un mandril según ángulos de cuerda seleccionados, de modo que la preforma tenga un peso superficial de fibra sustancialmente uniforme con fibras dispuestas para incorporar un amplio intervalo de orientaciones dispersas en toda la preforma.

Descripción detallada

La fig. 1 muestra un patrón de urdimbre parcial alrededor de un círculo.

La fig. 2 muestra los pasos para urdir una preforma usando un mandril con puntales horizontales.

La fig. 3 muestra el procedimiento mediante el cual se determina el peso superficial de la fibra radial.

La fig. 4 muestra el cambio de isotropía para preformas de forma neta con respecto a cambios en el cociente DE/DI.

La fig. 5 muestra el dibujo del patrón completo de fibras dispuestas en todos los ángulos de cuerda usados en el ejemplo 4.

La fig. 6 muestra una representación gráfica de un corte de un sector apilado de la preforma urdida en el Ejemplo 6.

Una preforma tridimensional de fibra carbonizada adecuada para su uso en la fabricación de compuestos de fibra de carbono-carbono de elevada resistencia puede estar hecha de fibra sustancialmente continua de acuerdo con la invención sin aplicar un adherente o un impregnante. Esta construcción de la preforma, a diferencia de la técnica anterior, se basa en tiras, ofreciendo una orientación de las fibras tanto altamente controlada como dispersa. La estructura se arma a partir de unidades finas de refuerzo que cubren el amplio intervalo de orientaciones permitidas por la geometría anular. La geometría anular se describe mejor mediante el cociente entre el diámetro exterior y el diámetro interior de la preforma, DE/DI. La mayoría de los cocientes DE/DI producen orientaciones de refuerzo que son sustancialmente isotrópicas. Para los propósitos de esta invención, sustancialmente isotrópica significa que la preforma evidencia una casi isotropía con respecto a las propiedades térmicas, de resistencia y de rigidez en el nivel de lámina. Una lámina tiene aproximadamente entre 0,1 mm y 2,54 mm de espesor, como se discute más adelante.

Como se muestra en la fig. 4, un cociente DE/DI elevado proporciona orientaciones que cubren todos los ángulos. De este modo, anillos con DI pequeño o nulo son planos e isotrópicos, esto es, isotrópicos en el nivel de lámina, en lo que respecta a las propiedades mecánicas y térmicas. Según se reduce el cociente DE/DI, el anillo se hace más delgado, y la orientación de las fibras conserva su naturaleza sustancialmente isotrópica hasta dar con cocientes DE/DI muy pequeños. Con cocientes DE/DI de aproximadamente 3, la orientación se hace significativamente anisotrópica, con propiedades incrementadas en la dirección circunferencial. Los discos anulares delgados hechos de acuerdo con la presente invención que requieren mayor isotropía que la alcanzable mediante la construcción de preformas por cuerdas pueden complementarse mediante grandes ángulos de cuerda a fin de alcanzar el grado de isotropía deseado a costa de mayores recortes. La isotropía o el refuerzo mejorado equirradialmente puede alcanzarse mediante la incorporación de capacidades de procesamiento adicionales a fin de añadir fibras radiales usando las técnicas textiles conocidas con un coste y una complejidad añadidos.

Este cambio desde isotropía a anisotropía es conforme con las tensiones sobre el disco de fricción. Los discos de fricción con grandes cocientes DE/DI requieren la mayor cantidad de isotropía posible a fin de equilibrar las tensiones friccionales y las fuerzas de reacción mecánicas, especialmente en los puntos de conexión de los pitones y los pernios. Los discos de fricción anulares delgados, por otro lado, producen una torsión global reducida debido a la menor área activa productora de fricción. Pero las cargas mecánicas deben transmitirse a los puntos de conexión a través de secciones más delgadas y estas secciones necesitan por tanto mayor rigidez a fin de resistir el pandeo. La isotropía cambiante de la estructura de preforma de cuerdas es adecuada para este intervalo de usos y cargas mecánicas.

Disponer las fibras como cuerdas de un círculo en lugar de cintas o tejidos unidireccionales proporciona una preforma mejorada para la fabricación de compuestos de carbono-carbono. La resistencia y la rigidez de un compuesto están dominadas por la orientación de las fibras de refuerzo. Las fibras de refuerzo sólo pueden transmitir las fuerzas eficientemente en la dirección de su alineación. Si la fibra de refuerzo está plegada o es discontinua, las tensiones se transfieren fuera de las fibras de refuerzo y dentro de la matriz más débil y menos rígida. Así pues, cuando se usan fibras unidireccionales, las fuerzas no alineadas o multidimensionales se transfieren a través de la matriz hasta cierto grado, provocando la pérdida de rigidez y la posible rotura de la matriz y del compuesto. Disponer las fibras de refuerzo según las cuerdas de un círculo proporciona fibras de refuerzo en un amplio intervalo de direcciones, las cuales, aunque reduzcan las propiedades en una única dirección en comparación con la lámina unidireccional, pueden transmitir de modo efectivo las fuerzas planas desde cualquier dirección a través del compuesto.

Por ejemplo, un compuesto realizado con cintas y tejidos puede construirse hasta ser casi isotrópico mediante el apilamiento de cintas y tejidos y variando su orientación en el nivel de lámina. Sin embargo, dado que las cintas o los tejidos apilados en todo el volumen del compuesto son no isotrópicos, se crean concentraciones significativas de tensiones sobre la interfaz de la lámina. La lámina no isotrópica absorbe la carga sobre una interfaz y tratará de transmitirla a través de esta interfaz hasta el material conectado más rígido, tal como la próxima lámina de fibras de refuerzo, o el pitón o el pernio adyacentes conectados a la estructura de soporte. Este procedimiento de absorción de carga interfacial y la capacidad de localizar la transmisión de la carga puede concentrar la tensión en el punto de transmisión e incrementar la probabilidad de rotura. Los apilamientos de refuerzo no isotrópicos funcionan de esta manera en lo que respecta a las concentraciones más notables de tensión sobre los límites del compuesto, especialmente en puntos de conexión altamente sometidos a tensión, tales como los pernios y los pitones. La presente invención supera este problema al comprender fibras de refuerzo dispuestas en un amplio intervalo de orientaciones en el nivel de lámina, de modo que la concentración de tensiones interlaminares se reduce en gran medida. Esto es debido al hecho de que la cantidad de tensión que puede transmitirse unidireccionalmente está limitado por el tamaño de la tira. A diferencia de la formación en capas apiladas en la que la lámina entera transmite las tensiones unidireccionalmente, el tamaño del área que puede transmitir cargas unidireccionales en la presente invención está limitada al área de la tira particular dispuesta en esa dirección.

Las fibras de carbono se conocen desde hace tiempo, y los procedimientos para su producción a partir de una serie de precursores están bien descritos en la técnica. Los precursores celulósicos se han usado para producir fibra de carbono desde principios de los 60, siendo el rayón el precursor de fibra de carbono dominante durante casi dos décadas. Más recientemente, según la técnica ha desarrollado procedimientos para producir fibra de carbono derivada de materiales tales como poliacrilonitrilo (PAN) y brea, ha descendido la importancia de la fibra de carbono basada en rayón. La fibra de poliacrilonitrilo, cuando se oxida y carboniza bajo condiciones apropiadas, proporciona una fibra de carbono tenaz, altamente resistente y de elevado módulo, y el rendimiento de conversión global en la producción de fibra a partir de PAN es bueno. Consecuentemente, la fibra de PAN se ha preferido desde hace tiempo para la fabricación de estructuras preformadas.

Las fibras de carbono también pueden producirse fácilmente a partir de una brea en mesofase mediante el hilado de la brea fundida en fibras, la oxidación de las fibras de brea mediante calentamiento en aire a fin de formar una fibra termoendurecida, y la carbonización mediante un tratamiento térmico adicional en ausencia de aire. Según se conoce y se comprende en la técnica, los filamentos de brea fundida hilada son estructuras altamente ordenadas que comprenden dominios de mesofase de cristal líquido alargados alineados con el eje del filamento. Al carbonizarse, estos dominios proporcionan una fibra de carbono o grafítica con un elevado grado de orden cristalino. Tal fibra altamente ordenada basada en brea ha sido reconocida generalmente como capaz de proporcionar fibra de carbono con mayor rigidez y más alta conductividad térmica que la fibra de carbono producida a partir de otras fuentes, y los compuestos de carbono con una combinación similar de propiedades y un coeficiente de expansión térmica bajo o incluso negativo encontrarían una gran aplicación. Además, la fibra de brea en mesofase termoendurecida se carboniza y grafitiza con un mayor rendimiento que otras fibras de precursores carbonizables tales como fibras de rayón, fibras de PAN y fibras de PAN oxidadas, esto es, la fibra de brea termoendurecida sufre una menor reducción en peso cuando se procesa térmicamente. Esto, a su vez, puede llevar a una contracción más reducida durante las operaciones de carbonización y grafitización, y a minimizar la creación concomitante de vacíos y tensiones internas que se dan normalmente con otros precursores de fibra. Debido a estas razones, la fibra de brea termoendurecida será particularmente útil y conveniente para su uso en la práctica de esta invención.

Preferentemente, la fibra de brea termoendurecida se emplea en la forma de una tira o hilo continuo. Una tira de fibra continua comprende una pluralidad de filamentos, usualmente desde 1000 hasta 20000 o más, y pueden incluso sobrepasar los 300000, con dichos filamentos alineados axialmente proporcionando resistencia en la dirección de la fibra de la tira. Con la fibra de brea termoendurecida se fabrica una preforma reforzada porosa y tridimensional. Preferentemente, la fibra se conforma en una estera gruesa y de menor densidad que tenga la forma general de la pieza, con la fibra continua orientada dentro del plano de la estera. Se añade refuerzo en la dirección del espesor mediante una operación subsiguiente de punzado con agujas. La preforma se produce por tanto con la forma general del producto final, evitando la necesidad de las operaciones de corte y moldeado y, por tanto, minimizando el sustancial derroche asociado normalmente con tales pasos.

En una realización de la presente invención, las tiras o hilos continuos de fibra se disponen como cuerdas de un círculo alrededor de un mandril con puntales como se muestra en las figs. 1 y 2. El número, la secuencia y los ángulos de las cuerdas se seleccionan de manera que se rellene uniformemente el volumen del círculo o anillo. De forma típica, se seleccionan de diez a veinte ángulos a partir de la geometría de interés concreta, lo que producirá una uniformidad de peso superficial de fibra radial dentro de +/- un 2%. Por ejemplo, un anillo con una geometría de modo que su cociente diámetro exterior (DE) / diámetro interior (DI) sea cuatro puede tener un conjunto de ángulos preferidos, en tanto que otro anillo con un DE/DI de cinco tiene un segundo conjunto de ángulos preferidos. Los ángulos seleccionados pueden ajustarse ligeramente o se pueden añadir cuerdas adicionales a la secuencia de urdido a fin de asegurarse de que el peso superficial de fibra angular es también uniforme.

El urdido efectivo de la preforma puede realizarse manualmente, pero se usa preferentemente un procedimiento automatizado. La preforma puede urdirse según varios y diferentes estilos de mandril, y mandriles de construcción apropiada descritos en la técnica y conocidos para su uso en el urdido de estructuras de fibra continua pueden adaptarse adecuadamente para su uso en la fabricación de preformas de acuerdo con la presente invención. A efectos del tratamiento que sigue, al describir la estructura resultante, el plano del mandril se designará como la orientación o dirección x-y o del plano, y la dirección ortogonal z se entenderá como la dirección normal al mismo, también denominada dirección a través del espesor.

Se comprenden dos estilos para un mandril circular, con puntales verticales u horizontales. Cuando se usan puntales verticales -puntales en la dirección z-, la fibra se envuelve alrededor de un puntal que se designa como ángulo 0º, el mandril se gira hasta el puntal sobre el primer ángulo seleccionado y la fibra se envuelve alrededor de tal puntal a fin de formar la cuerda de un círculo. Este segundo puntal se designa entonces como 0º, el mandril se gira hasta el segundo ángulo de cuerda seleccionado, la fibra se envuelve alrededor del puntal y el procedimiento continúa hasta que el volumen de la preforma se rellena uniformemente con fibras o tiras no unidireccionales. Una vez rellena, la preforma se saca del mandril de una sola pieza. En el Ejemplo 1, este procedimiento se hizo manualmente para crear la preforma. En los Ejemplos 2 - 4, se usó un sistema mecánico o automatizado con puntales horizontales.

El aparato mecánico y automatizado descrito en los ejemplos utiliza un disco plano con puntales extendidos radialmente en el plano x-y. Sin embargo, se pueden también usar puntales extendidos verticalmente. Un solenoide y un operador o una mesa de giro Haas CNC operan secuencialmente para fijar la posición inferior de los puntales o mover el mandril hasta la próxima posición de las cuerdas. Se usa un tubo para proporcionar la fibra alrededor de los puntales, de modo que las fibras no se dañen. El tubo proporciona las fibras desde una superficie plana del disco hasta la otra mediante la alternancia entre las posiciones alta y baja. El tubo comienza en una posición alta y la fibra se emplaza sobre el puntal en el ángulo 0º. El mandril gira hasta el puntal en el primer ángulo seleccionado y el tubo cae hasta su posición baja. Mientras el tubo está en la posición baja, el mandril gira hasta el próximo ángulo seleccionado. El tubo se eleva entonces hasta su posición alta. Este procedimiento tiene el efecto de crear el primer ángulo de cuerda sobre la superficie superior del mandril, el segundo ángulo de cuerda sobre la superficie inferior del mandril y el tercer ángulo de cuerda sobre la superficie superior, etc., hasta que miles de ángulos de cuerda se completan y la preforma queda integrada por fibras o tiras no unidireccionales dispuestas alrededor del mandril. En este procedimiento la preforma debe cortarse del mandril, reposicionarse para mantener el registro y apilarse de nuevo. El crecimiento de diámetro durante el urdido puede requerir pequeños ajustes en los ángulos de cuerda para proporcionar un peso superficial de fibra uniforme.

En ambos procedimientos, la preforma se conforma inicialmente usando fibras o tiras sustancialmente continuas urdidas o envueltas alrededor del mandril. Sin embargo, cuando se usa el procedimiento de puntales verticales, la preforma no tiene que ser cortada del mandril y puede ser extraída de una pieza. Esto proporciona una preforma final con fibras sustancialmente continuas en todo el volumen de la preforma. En el procedimiento de puntales horizontales, las fibras se envuelven alrededor del diámetro exterior del mandril, creándose un patrón de fibras tanto sobre la superficie superior como inferior del mandril. Este procedimiento requiere que la preforma se corte rebanando la preforma a lo largo del diámetro exterior del mandril para formar dos piezas separadas que se apilan juntas para formar la preforma. Esto proporciona una preforma con fibras sustancialmente continuas a través de la preforma, pero discontinuas en el límite de la preforma. De otro modo, las fibras son continuas desde un borde la preforma hasta el otro, dado que están formadas como cuerdas de un círculo. Es importante darse cuenta de que es la naturaleza continua de las fibras de borde a borde de la preforma la que es importante para la presente invención, y las fibras discontinuas en los límites son satisfactorias para muchas aplicaciones. Las aplicaciones que requieran fibras continuas en los límites, sin embargo, pueden hacerse usando un mandril con puntales verticales junto con técnicas de fijación y densificación a fin de retener la continuidad de la fibra y conseguir las tolerancias dimensionales. Para el propósito de la presente invención, sustancialmente continuo significa que al menos el 50% de las fibras dispuestas como cuerdas son continuas de borde a borde de la preforma. Con mayor preferencia, el 66%, y, con mayor preferencia aún, el 75%.

Como se ve, se prefiere que la tira de fibra se deposite de una manera que proporcione un peso superficial uniforme, proporcionando una estera de fibra que tiene una densidad en el intervalo de 0,3 gr/cm^{3} hasta aproximadamente 0,7 gr/cm^{3}, preferentemente desde aproximadamente 0,5 gr/cm^{3} hasta aproximadamente 0,6 gr/cm^{3}. Aunque esteras con densidades fuera de estos intervalos pueden ser útiles en algunas aplicaciones, las esteras de baja densidad que tengan densidades por debajo de aproximadamente 0,3 gr/cm^{3} son estructuras muy ligeras, casi mullidas. Tales esteras requieren una compactación considerable a fin de alcanzar las densidades de volumen necesarias para la mayoría de las aplicaciones de la preforma, lo que usualmente provoca un intenso plegado de las fibras. Esteras con densidades mayores que aproximadamente 0,6 gr/cm^{3} son difíciles de conseguir sin medidas extraordinarias.

Los ángulos de cuerda seleccionados para la urdimbre determinarán el peso superficial de fibra radial, que debe ser relativamente uniforme, preferentemente en un +/- 2%, en toda la preforma. El peso superficial de fibra radial puede determinarse dividiendo el círculo o anillo completo en anillos delgados y calculando la longitud de cada cuerda dentro del diámetro de cada anillo. Las longitudes de fibras de todas las cuerdas en cada anillo se suman y se dividen entre el área incremental del anillo a fin de producir el peso superficial de fibra. El peso superficial de fibra de cada anillo se normaliza y la diferencia respecto a la unidad se usa para cambiar los ángulos de cuerda a fin de mantenerse dentro de los límites de tolerancia preferidos.

La longitud de cada cuerda dentro del diámetro de cada anillo se calcula usando principios geométricos básicos. Se conoce bien que el cuadrado de la hipotenusa de un triángulo rectángulo es igual a la suma de los cuadrados de sus dos catetos (por ejemplo, a^{2} + b^{2} = c^{2}). Así pues, para determinar la longitud de cualquiera de los catetos, las longitudes de los demás elementos deben determinarse. Aplicando esto a la presente invención, puede determinarse el peso superficial de fibra radial. Como se muestra en la fig. 3, el radio del anillo incremental (R_{ai}) está predeterminado. El radio de la cuerda (R_{C}) se puede calcular a partir de R_{a}, que es DE/2, y del ángulo de la cuerda \theta mediante la ecuación (R_{C} = DE/2 x Cos(\theta/2)). A partir de estas longitudes, se calcula la longitud de la fibra que cae dentro de un anillo concreto. Este procedimiento de cálculo se lleva a cabo fácilmente usando programas disponibles (por ejemplo, Microsoft Excel®); una tabulación de estos valores se muestra en la Tabla 1. Los ángulos de cuerda y el DE para una preforma concreta se introducen en la hoja de cálculo que calcula las cantidades geométricas y suma las contribuciones al peso superficial de la fibra sobre una base anular incremental. Dividiendo el anillo global en anillos delgados, estos cálculos encuentran iterativamente la longitud de la cuerda dentro del diámetro de cada anillo y sustraen las longitudes de los anillos interiores. Las longitudes de cuerda para todas las cuerdas en cada anillo se suman en total y se dividen entre el área incremental del anillo para dar el peso superficial de fibra radial. El peso superficial de fibra radial para cada anillo se normaliza y la diferencia respecto a la unidad se usa para cambiar los ángulos de cuerda de modo que se mantengan dentro de los límites de tolerancia requeridos.

La segunda parte para fijar una secuencia de cuerdas es trazar la acumulación de fibra urdida alrededor del anillo para determinar la uniformidad del peso superficial de fibra angular, que es el peso superficial de fibra contenido dentro de cuñas delgadas del círculo. Esto se hizo mediante la conversión de las intersecciones del ángulo cumulativo de las cuerdas sobre la circunferencia a coordenadas X, Y y trazándolas como un diagrama de dispersión X, Y con líneas de conexión y usando programas disponibles como en la fig. 1. Esta representación visual del artículo urdido final muestra áreas de densidad de fibra grande y pequeña. De nuevo, cambios pequeños en los ángulos y en su secuencia de urdido, o la adición de ángulos de ajuste pequeños se usaron para alcanzar un peso superficial de fibra angular uniforme. La fig. 1 es una porción pequeña de los varios miles de cuerdas usadas en una urdimbre: las no uniformidades que se ven se corrigen mediante la secuencia completa de urdido de la fig. 5. La fig. 1 muestra cómo las fibras de refuerzo se disponen en un amplio intervalo de orientaciones en el nivel de lámina. Varios conjuntos de estos ángulos, cada uno desplazado según su total acumulativo no repetitivo, se requieren para rellenar el volumen asociado normalmente con una única lámina que es de aproximadamente 0,1 mm a 2,54 mm de espesor. La seguridad respecto a la calidad se alcanza mediante el calibrado del contorno de la pieza final para asegurar un espesor uniforme a una presión y espacio ocupados dados.

En otra realización de la presente invención, una preforma se fabrica de tal modo que se seleccionan diferentes secuencias de ángulos para diferentes planos de la preforma, de tal modo que se optimizan las propiedades necesarias en los diversos niveles planos del disco de freno. Esta realización mantiene la naturaleza equilibrada, simétrica y esencialmente isotrópica del compuesto en su globalidad, pero la dispersión fina de orientaciones de fibras de refuerzo en el nivel de lámina se sustituye por una orientación angular +/- equilibrada. Por ejemplo, todas las cuerdas de un ángulo grande pueden agruparse en el plano central para formar un disco con mejores propiedades de torsión a fin de soportar las cargas mecánicas, mientras las cuerdas circunferenciales que producen la fricción deseada o las características de desgaste pueden localizarse para ocupar la superficie de desgaste del disco de fricción. Los ángulos de cuerda grandes pueden localizarse de esta manera debido a que las combinaciones de ángulos que rellenan el DI de la preforma forman solamente una pequeña fracción del material en el DE, pues el DE tiene mucha mayor área circunferencial que el DI. De otra forma, el área superficial anular de la preforma se incrementa con el radio. Así pues, las fibras dispuestas como cuerdas de un círculo para rellenar el DI se solaparán y se acumularán significativamente cerca del DI mientras se mantienen relativamente espaciadas y separadas en el DE. Esto se conoce como adelgazamiento radial.

El adelgazamiento radial permite diseñar la preforma de modo que los ángulos de las fibras de refuerzo en un espesor dado sean diferentes en el DI, en el centro o en el DE, a fin de ajustarse mejor a los requerimientos físicos del disco de fricción. Por ejemplo, cuerdas de fibra largas que corten a través del DI pueden disponerse en el plano central de la preforma. Estas fibras se amontonarán y causarán la acumulación de fibra en el DI y el adelgazamiento en el DE. Dado que el DE tiene una capa más delgada de fibras, se pueden disponer cuerdas circunferenciales cortas cerca del DE en un plano especificado de la preforma a fin de compensar el efecto de adelgazamiento radial. El orden en el que un grupo o grupos preferidos de ángulos de cuerdas se urden especifica el plano de la preforma que el grupo ocupa, y el orden se selecciona de modo que el grupo final se convierte en la capa de desgaste de la superficie exterior de la preforma. Así pues, la orientación de fibra óptima para la fricción puede localizarse en la superficie de desgaste central del anillo mientras se mantiene la construcción de compuesto equilibrado, simétrico y sustancialmente isotrópico, especialmente en el DI y/o en el DE, donde pitones y pernos se usan como conexión.

La fig. 6 proporciona una representación gráfica de una construcción angular de cuerdas apiladas que muestra el corte de un sector del anillo y revela la variedad de ángulos de cuerda que pueden disponerse en los diferentes planos de la preforma. El lado izquierdo del diagrama representa el DI de la preforma y el lado derecho representa el DE, y el eje horizontal es la línea central de la preforma. Como se muestra en las Tablas 6B, 6C y en la fig. 6, el DI comprende fibras dispuestas según 4 ángulos de cuerda - 145º, 149,1º, 153,7º y 152,8º. Aproximadamente el 11% de la fibra se dispone a 145º, el 26,5% a 149,1º, el 32,5% a 153,7º y el 30% a 152,85º. Según el gráfico de barras de la preforma progresa desde el DI hasta el DE, la variedad de ángulos de cuerda usados se incrementa hasta 20 y los ángulos de cuerda circunferenciales pequeños, tales como 62º, 53º y 92º, se añaden en planos seleccionados de la preforma para maximizar su efectividad como refuerzo estructural o como capa de desgaste.

La estera de cuerdas producida en la operación inicial tendrá generalmente un espesor en el intervalo entre aproximadamente 12,7 mm y aproximadamente 102 mm, preferentemente entre aproximadamente 19 mm y aproximadamente 96 mm para la mayoría de las aplicaciones. El espesor de la estera estará limitado en parte por consideraciones prácticas. En concreto, se pretende que la estera sea modificada adicionalmente a fin de proporcionar un refuerzo tridimensional mediante una operación de punzado con agujas. Dicha operación con agujas requiere generalmente el uso de agujas de una longitud suficiente para penetrar en el 90% del espesor de la estera. En esteras de un espesor excesivo, la fuerza necesaria para penetrar en la profundidad deseada puede resultar en una rotura frecuente de las agujas. Además, las agujas capaces de penetrar hasta profundidades de 101 mm y más no están en general disponibles comercialmente y deben por tanto realizarse a medida, lo que incrementa el coste de fabricación de la preforma.

Las operaciones de perforado con agujas son convencionales en la técnica textil sin urdimbre, y se practican generalmente usando una pluralidad de agujas que comprenden un vástago con dientes que se proyectan hacia fuera. Las agujas se montan a fin de permitir su uso en tándem durante la operación de perforado con agujas, y la punción con agujas se lleva a cabo moviendo las agujas normalmente con respecto a la superficie de la estera, y, de manera alternativa, forzando a las agujas a entrar y salir repetidamente de la estera. Los dientes recogen fibra al atravesar la estera, lo que hace que una porción de las fibras de la estera se alineen verticalmente. La estera se mueve incrementalmente entre penetraciones de las agujas a fin de enfurtir uniformemente la estera.

A efectos de esta invención, se seleccionarán las agujas de manera que tengan la longitud suficiente para atravesar sustancialmente la estera de baja densidad, preferentemente desde un 80 hasta más de un 100% de penetración de la estera en la dirección de las agujas. La densidad de agujas se seleccionará de manera que se proporcione una orientación vertical de fibras con una densidad adecuada para reforzar la preforma en la dirección del espesor. En la práctica, las agujas se seleccionarán con espaciados de entre 0,9 hasta 1,2 cm desde el centro, aunque otras densidades apropiadas de agujas pueden usarse para el producto final.

La operación de punzado con agujas reducirá generalmente el espesor inicial de la estera de fibra desde un 10 a un 40%, dependiendo del grado de punzado con agujas que se aplique. En la mayoría de las aplicaciones, el nivel de enfurtido con agujas empleado será suficiente para reorientar cantidades sustanciales de fibra, con lo que se confiere a la estructura un refuerzo tridimensional que puede resultar en características de isotropía tridimensional. Las propiedades de resistencia e integridad de la preforma se mejorarán significativamente mediante el enfurtido con agujas, lo que permitirá un manejo subsiguiente que incluya almacenamiento, empaquetamiento y envío, así como su uso en operaciones de impregnación e infiltración que no requieran fijación adicional.

Para alcanzar una mayor uniformidad en la estructura perforada con agujas, particularmente con esteras y estructuras similares sustancialmente planas, puede ser conveniente punzar con agujas la estructura por ambas caras mediante inversión de la estructura y exposición de la cara opuesta a operaciones adicionales de punzado con agujas o mediante la alternancia de la perforación con agujas de una cara a la otra. Como se comprenderá mejor a través de ejemplos posteriores, cuando se combina con variaciones controladas en la profundidad del punzado con agujas, la técnica de punzado con agujas de ambas caras también proporciona los medios para controlar el grado de refuerzo en el interior de la estructura, obteniéndose así estructuras que tienen distintos niveles de refuerzo a través del espesor.

Típicamente, durante la operación, una porción de los filamentos que constituyen la estera serán recogidos por los dientes y se reorientarán como grupos de filamentos en la dirección z o dirección del espesor. La porción de filamentos no recogidos por los dientes se desplazarán lateralmente dentro del plano x-y debido a las agujas, lo que creará aberturas a través de la estructura con la profundidad de la perforación de las agujas. Los grupos de filamentos creados mediante el punzado con agujas variarán ampliamente en el número de filamentos, dependiendo de la conformación inicial de la tira de fibra y del nivel de punzado con agujas empleado. Las estructuras que comprendan grupos de filamentos de entre 25 a 1000 filamentos se producirán fácilmente, mientras puede que se observen estructuras con grupos que tengan tan pocos filamentos como entre 10 y 75 o grupos que comprendan desde 250 hasta 4000
filamentos.

Las repetidas perforaciones de la operación de punzado con agujas sirve para compactar y por tanto densificar la estructura hasta cierto grado, mientras al mismo tiempo se extiende la fibra dentro del plano del disco. Este laboreo de las tiras de fibra suaviza la progresión en la orientación de la fibra entre áreas adyacentes. Como es notorio, las agujas empleadas se seleccionan para proporcionar aperturas o canales de tamaño significativo a través de la estera, con filamentos de tiras reorientadas extendiéndose a través de los canales. Los canales grandes incrementan la porosidad efectiva de la estructura y proporcionan un acceso mejor al interior de la estera, incrementando el nivel de deposición de carbono que puede llevarse a cabo en las subsiguientes operaciones de infiltración de carbono o en la impregnación con materiales precursores adecuados de carbono. La porosidad mejorada es particularmente beneficiosa en la producción de piezas gruesas, generalmente más grandes de 25,4 mm, dado que durante la infiltración de estructuras preformadas de baja porosidad con el componente de matriz, tal como, por ejemplo, carbono CVD, la deposición tiende a ocurrir en las capas superficiales, lo que bloquea la densificación posterior en el interior de la estructura.

De acuerdo con una realización de la presente invención, la preforma de cuerdas se produce mediante perforación con agujas en la estera de fibra continua. En esta realización, los dientes recogen las tiras continuas, haciendo que se realineen en la dirección vertical. Aunque esto causa algunas roturas en los filamentos de refuerzo, la construcción de tiras continuas mantiene el máximo grado de longitud y alineación de fibra, y, subsiguientemente, de propiedades del compuesto.

En otra realización, se distribuye fibra en tiras troceadas sobre la superficie de la preforma de cuerdas. La fibra troceada proporciona fibra fácilmente arrastrada al ser recogida por los dientes de las agujas. Esta fibra sacrificatoria minimiza el daño y la reorientación de la estructura de cuerdas. Esta realización tiene la ventaja adicional de que un segundo tipo de fibras puede usarse como fibra troceada para crear un compuesto híbrido. Por ejemplo, se puede usar fibra PAN como fibra continua en el plano x-y y fibra de brea como fibra troceada, que se somete a perforación con agujas y se realinea en la dirección z, o viceversa. Segregar las fibras según la orientación permite al diseñador de la preforma optimizar los criterios de rendimiento que poseen direccionalidad, por ejemplo, la conductividad a través del espesor.

La preforma de fibra de brea termoendurecida y punzonada con agujas se carbonizará generalmente para proporcionar una estructura o preforma de carbono poroso para su uso en las operaciones de infiltración o impregnación y carbonización usadas para completar la producción de un artículo compuesto de carbono o grafito de elevada resistencia y reforzado con fibras. A estos propósitos, los procedimientos de carbonización como los empleados comúnmente en la técnica pueden usarse para tales estructuras. Generalmente, la preforma, sin necesidad de fijación, puede carbonizarse por calentamiento en una atmósfera inerte y no oxidante con una tasa de calentamiento seleccionada sobre la base del tamaño de la preforma y los materiales de construcción. Tasas de calentamiento en el intervalo entre aproximadamente 25 y 100ºC por hora hasta la temperatura final se emplean comúnmente en la técnica, y la preforma puede mantenerse a la temperatura final seleccionada durante periodos variables desde varios minutos hasta varias horas, a fin de completar la carbonización, siendo el tiempo y la temperatura dependientes del grado de carbonización deseado. Tales procedimientos serán familiares para los conocedores de las técnicas de la fibra de carbono. En la mayoría de las preformas a partir de precursores de fibra de brea termoendurecidas, la operación de carbonización resultará en una contracción en el intervalo de 3-10%. Las preformas carbonizadas tendrán una densidad de volumen nominal en el intervalo de 0,4 a 0,7 gr/cm^{3}.

Aunque la discusión se centra en el uso de fibra de brea continua, un experto en la técnica entenderá que otras fibras, tales como PAN, vidrio y fibras de resina de elevada resistencia, pueden también usarse como fibra continua urdida alrededor del mandril para crear la preforma de cuerdas. La preforma de cuerdas se incrustaría entonces en un material de matriz adecuado.

Las estructuras de carbono poroso de esta invención, cuando se incrustan en cualquiera de entre una variedad de materiales de matriz, incluyendo resinas termoendurecidas y termoplásticas, metales, carbono y cerámicas, proporcionan compuestos particularmente atractivos. Se conoce una gran variedad de sistemas y formulaciones de resina termoendurecida adecuados para su uso como resinas de matriz en la fabricación de compuestos reforzados de fibra de carbono y se encuentran disponibles comercialmente, incluyendo resinas epoxy, resinas de cianato, resinas fenólicas, resinas de bismaleimida y resinas semejantes, así como mezclas e intermediarios reactivos basados en las mismas. La mayoría de tales resinas termoendurecidas, cuando se formulan como líquidos a la temperatura de aplicación y con una viscosidad suficientemente baja para impregnar matrices porosas, se evidenciarán muy útiles a la hora de producir compuestos con las estructuras de carbono poroso de esta invención. Aunque son generalmente más difíciles de utilizar, las resinas termoplásticas adecuadas y los procedimientos preferidos de infiltración se evidenciarán útiles para la fabricación de artículos compuestos usando los artículos de esta invención. De modo similar, los procedimientos y procedimientos de infiltración de cuerpos de carbono poroso con metales fundidos, incluyendo cobre, aluminio, estaño, plata, níquel y metales semejantes, así como aleaciones como el latón, se han desarrollado y son conocidos en las técnicas de compuestos, y estos procedimientos pueden usarse con las preformas de carbono poroso de esta invención a fin de producir compuestos de matriz de metal. Los procedimientos para llevar a cabo la infiltración de una variedad de estructuras porosas con materiales y precursores cerámicos, incluyendo sílice, carburo de silicio y nitrito de silicio, así como con una variedad de otros nitritos, óxidos y sustancias semejantes se encuentran bien descritos en la técnica, y éstos también pueden adaptarse adecuadamente para su uso con preformas de carbono de esta invención a fin de proporcionar compuestos de fibra de cerámica-carbono.

Cuando se usan para producir compuestos de fibra de carbono-carbono, la estructura de carbono poroso estará sujeta a operaciones de infiltración, por ejemplo, a los procedimientos de deposición pirolítica e infiltración empleados comúnmente en la técnica de compuestos de matriz de carbono. Generalmente, las operaciones son convencionales, y pueden ser llevadas a cabo en cualquier horno de deposición de vapor adecuado que tenga un intervalo de temperatura de entre aproximadamente 700ºC hasta aproximadamente 1900ºC. Por ejemplo, el carbono pirolítico puede depositarse desde un gas carbonoiedo tales como el metano, el etano, el propano o el butano, que se disocian bajo la influencia del calor. El gas carbonoiedo se diluye preferentemente en un gas inerte, por ejemplo, nitrógeno o argón, a fin de facilitar la penetración en el artículo. Generalmente, es adecuada para este uso una proporción de aproximadamente 1 parte por volumen de gas carbonoiedo por 10 partes por volumen de gas inerte. Una proporción desde aproximadamente 1:1 hasta aproximadamente 1:6 se ha evidenciado eminentemente útil. El gas carbonoideo puede insuflarse dentro de un horno al vacío y, en este caso, el gas diluido puede eliminarse o la cantidad de gas inerte usado puede reducirse considerablemente.

El período de tiempo necesario para infiltrar de un modo efectivo la estructura de carbono poroso conformada depende de varios factores, tales como el volumen, la porosidad, la densidad, la forma estructural, el tamaño de fibra y la orientación de la fibra de la estructura, así como la tasa de flujo del gas, la temperatura de deposición y la presión del horno. Estas variables pueden determinarse empíricamente de acuerdo con la práctica común en la técnica para la fabricación de compuestos de carbono. Después de la infiltración por vapor, el conjunto se deja enfriar y, si así se desea, el procedimiento se repetirá para incrementar adicionalmente el contenido de carbono y la densidad del artículo compuesto de carbono.

Alternativamente, la preforma de carbono poroso puede impregnarse bajo presión con un material de relleno carbonizable adecuado, tal como brea o una resina carbonoidea. El artículo puede entonces tratarse bajo presión y, después del tratamiento, hornearse usando una atmósfera protectora de nitrógeno bajo presión atmosférica. Durante la operación de horneado, la temperatura del cuerpo se incrementa gradualmente desde la temperatura de tratamiento hasta los 1000ºC. La tasa de incremento de temperatura es en gran medida una función del tamaño del artículo que se hornea. Grandes artículos pueden requerir una tasa menor de incremento de temperatura que artículos más pequeños a fin de que la temperatura sea uniforme en todo el artículo, evitando así tensiones internas dañinas que estén provocadas por un calentamiento desigual del artículo. Después de la terminación de los pasos de impregnación, tratamiento y horneado, la forma puede colocarse de nuevo al vacío y reimpregnarse, tratarse y hornearse. El número de ciclos de impregnación, tratamiento y horneado estará determinado por la densidad que se desea para el artículo acabado.

Después de la terminación del número deseado de pasos de impregnación, tratamiento y horneado, el artículo puede carbonizarse o grafitizarse. El tratamiento térmico puede llevarse a cabo en un único paso de calentamiento o en etapas hasta una temperatura dentro del intervalo de 1200ºC - 3500ºC, a fin de producir artículos de carbono carbonizados o grafitizados de esta invención. El tratamiento térmico se llevará a cabo en una atmósfera sustancialmente no reactiva para asegurarse de que el artículo no se consume. La atmósfera no reactiva puede ser nitrógeno, argón o helio; sin embargo, para temperaturas por encima de aproximadamente 2000ºC, se prefiere el argón y el helio. Aunque la atmósfera no reactiva puede incluir una pequeña cantidad de oxígeno sin que cause un daño serio, particularmente si la temperatura no se eleva demasiado rápidamente, la presencia de oxígeno debe evitarse. Además, estructuras de hilo húmedo producen una atmósfera de vapor cuando se calientan, vapor que debe purgarse fuera del horno antes de que se alcancen las temperaturas de carbonización, ya que el vapor es altamente reactivo a tales temperaturas. Puede ser conveniente incluir boro o componentes grafitizantes similares en la atmósfera del horno, y éstos serán considerados como no reactivos, tal como aquí se usa el término.

El calentamiento de la preforma puede ser llevado a cabo mediante un procedimiento de paso único o, alternativamente, realizado en una serie de pasos o etapas, con refrigeración y almacenamiento de materiales intermedios tales como preformas rellenadas y estructuras carbonizadas para su procesamiento adicional en un tiempo posterior. La temperatura final del tratamiento térmico se determinará principalmente según la aplicación de uso final. Por ejemplo, cuando se prevé que el artículo sufrirá temperaturas extremas, el tratamiento térmico puede llevarse a cabo a muy altas temperaturas, 2600ºC o mayores, e incluso a temperaturas que se aproximen a 3500ºC para aplicaciones en las que se desea un elevado grado de grafitización. El tratamiento térmico puede llevarse a cabo con o sin aplicación de presión externa para ayudar a la compactación y ofrecer compuestos de densidad más elevada.

Los expertos en la materia comprenderán fácilmente que el procesamiento térmico concreto que se emplee estará determinado con respecto al tamaño y la geometría de la pieza que se está produciendo. En el caso de piezas grandes, la conducción de calor hacia el centro de la pieza será necesariamente lenta, y serían convenientes largos ciclos de calentamiento y lentos incrementos de temperatura.

Aunque queda dentro del alcance de esta invención el producir artículos grafitizados o de fibra de carbono-carbono reforzados con baja densidad, por ejemplo por debajo de 1,4 gr/cm^{3}, el intervalo de densidades preferido caerá dentro del intervalo de entre aproximadamente 1,6 gr/cm^{3} hasta aproximadamente 2,1 gr/cm^{3}. Los compuestos de fibra de carbono-carbono de acuerdo con la invención tendrán una excelente conductividad térmica, debido en gran medida al uso de fibras continuas basadas en brea en la fabricación de las preformas de fibra. La conductividad térmica concreta observada dependerá en parte de la temperatura final de carbonización, que, a su vez, determina el grado de grafitización. Cuando se carboniza a una temperatura de más de 2000ºC, los compuestos que tienen una densidad mayor de 1,6 gr/cm^{3}, y que comprenden preformas carbonizadas embebidas en una matriz de carbono de acuerdo con esta invención, pueden tener una conductividad térmica mayor de 80 W/mºK en la dirección a través del
espesor.

La invención se comprenderá mejor considerando los siguientes ejemplos específicos que ilustran más claramente la manera exacta en la que los procedimientos de la presente invención pueden llevarse a cabo. Los ejemplos se proporcionan únicamente a modo de ilustración, y no deben interpretarse como limitantes del alcance de la invención a los detalles de los procedimientos o los artículos concretos ilustrados.

Ejemplo 1

Se fabricó una preforma usando 2000 tiras de filamento de fibra de brea en mesofase termoendurecida y oxidada en aire, que es una forma intermedia de la fibra de carbono P25 Thornel®. Un mandril vertical con diámetro de puntal 317 mm se encordó usando la secuencia de cuerdas de la Tabla 2 a fin de conformar una preforma con un diámetro exterior (DE) mayor de 305 mm, un diámetro interior (DI) de aproximadamente 102 mm y un espesor de aproximadamente 41 mm. Después de cuatro conjuntos de urdido de tira única, se urdieron tres tiras de lado a lado hasta que se completaron un total de 84 secuencias de una única tira. La estera urdida se retiró del mandril y se añadieron 200 gr de agua desionizada para mejorar la manejabilidad y la compactación por enfurtido con agujas. El peso total de la estera con agua era de 2034 gramos. El DI se recortó para encajar en la horma de las agujas, resultando un peso húmedo de 1900 gramos.

La estera se colocó en una horma anular de 118 mm de DI y 320 mm de DE, de profundidad suficiente para insertar una zapata anular de compactación con encaje holgado entre el DI y el DE. El enfurtido con agujas se llevó a cabo de acuerdo con la patente de EE.UU. nº 5.705.008. La zapata se rebajó hasta una altura interior de 35 mm. Agujas de enfurtido Foster F20 8-22-3B 2B/E 15 x 18 x 36 x 3,5 SBAs distribuidas en un patrón radial de 29,6 agujas/cm^{2}, montadas sobre una cabeza ranurada se ajustaron para penetrar hasta 0,6 mm en la cara posterior de la estera a fin de enredar las fibras. La estera se enfurtió a 4728 penetraciones por cm^{2} (NPCC) mientras se giraba a 0,4 rpm. Se dio la vuelta a la estera y se enfurtió a 4998 NPCC. La preforma se examinó, y la secuencia de enfurtido con agujas se repitió con 6108 NPCC adicionales por cada cara a fin de proporcionar la densidad final de enfurtido de 11100 NPCC por cada cara.

La preforma se carbonizó mediante calentamiento en una atmósfera de nitrógeno, incrementando la temperatura a una tasa de 50ºC/h hasta 800ºC; y de 75ºC/h hasta 1235ºC, con un tiempo de mantenimiento de una hora a esa temperatura. La preforma carbonizada era sólida y con una buena integridad. La contracción y la pérdida de masa y de agua resultaron en un peso final de 1223 gr, un DI de 103 mm, un DE de 302 mm y un espesor de 35 mm. La densidad en volumen era de 0,55 gr/cm^{3}.

Esta preforma se densificó usando infiltración por vapor químico para formar un artículo de carbono/carbono con una densidad de 1,70 gr/cm^{3}. Era sustancialmente isotrópica, con una resistencia y un módulo tensionales circunferenciales de 30,3 HPa y 33,8 GPa y una resistencia y un módulo tensionales radiales de 26 HPa y 37,9 GPa, respectivamente.

Ejemplo 2

Se fabricó una preforma usando 4000 tiras de filamento de fibra de brea en mesofase termoendurecida y oxidada en aire, una forma intermedia de la fibra de carbono P25 Thornel®. Un mandril horizontal con diámetro de 318 mm, y con puntales que se extendían radialmente se encordó usando las secuencias de cuerdas de la Tabla 3 y, después, las de la Tabla 4 a fin de crear una preforma con un diámetro exterior mayor de 305 mm y un diámetro interior de aproximadamente 102 mm, y un espesor de aproximadamente 41 mm. Se usaron tubos guiados accionados por solenoides para encordar las tiras de fibra alrededor de los puntales, envolviendo la misma secuencia de tiras tanto en la cara superior como inferior del mandril. Los ángulos de cuerda se guiaron mediante un codificador giratorio a fin de asegurar la exactitud acumulativa.

Después de siete conjuntos de urdido de tira única, se urdieron dos tiras de lado a lado hasta que se completaron un total de 21 secuencias superiores e inferiores de cuerdas de una única tira. Se realizó un ajuste de los ángulos de las cuerdas después de la secuencia 9 para contrarrestar la deriva de diámetro causada por la acumulación de fibra en el borde exterior del mandril. La estera urdida se retiró del mandril y se apiló después de las secuencias 8ª, 10ª, 12ª y 14ª a fin de limitar el crecimiento del DE durante el urdido. Se añadió agua desionizada para mejorar la manejabilidad y la compactación por enfurtido con agujas. La estera se recortó para encajar en la horma de 321 mm y se apiló hasta su espesor completo. La estera se colocó dentro de la horma y se perforó con agujas como en el Ejemplo 1, a un total de 14428 NPCC. La preforma final enfurtida con agujas era rígida, densa y plana. El DI fue troquelado hasta 101 mm, y el DE era de 322 mm, el espesor de 40 mm, y el peso (húmedo) era de 2010 gramos.

La preforma se carbonizó mediante calentamiento en una atmósfera de nitrógeno, incrementándose la temperatura a una tasa de 50ºC/h hasta 300ºC; y de 75ºC/h hasta 1235ºC, con un tiempo de mantenimiento de una hora a esa temperatura. La preforma carbonizada era sólida y con una buena integridad. La contracción y la pérdida de masa y agua resultaron en un peso final de 1310 gr, un DI de 104 mm, un DE de 308 mm y un espesor de 38 mm. La densidad de volumen era de 0,524 gr/cm^{3}.

Esta preforma se densificó con una resina epoxy de bajo módulo (EPON 828 / Jeffamine 230) y se comprobó mecánicamente, proporcionando una resistencia y un módulo tensionales tangenciales de 88 HPa y 15,8 GPa, respectivamente.

Usando un valor de 0,45 veces el módulo del compuesto unidireccional para estimar el módulo isotrópico del compuesto isotrópico plano, la eficiencia de traslación del módulo tensional puede calcularse mediante la siguiente ecuación:

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Eficiencia de traslación (%) = (módulo axial medido / módulo calculado) x 100

Módulo calculado = [Módulo de la fibra x fracción de volumen de la fibra plana x factor isotrópico plano]

Módulo de la fibra = 172 GPa (fibra P25)

Fracción de volumen de la fibra plana = 0,524 gr/cm^{3} preforma / 1,93 gr/cm^{3} fibra -fibra "Z"

Estimación de la fibra "Z" = 10% (fracción de volumen 0,025)

Eficiencia de traslación = 15,8 / (172 GPa x 0,244 fracción de volumen de la fibra plana x 0,45) x 100 = 83,7%

Ejemplo 3

Se fabricó una preforma usando seis tiras de 4000 filamentos de fibra de brea en mesofase termoendurecida y oxidada en aire. Un mandril horizontal de 480 mm de radio con puntales que se extendían radialmente se urdió usando la secuencia de 99 cuerdas de la Tabla 5. Dos conjuntos de tres tubos de guía paralelos accionados por solenoides se usaron para encordar las tiras de fibra alrededor de los puntales, envolviendo simultáneamente la secuencia de cuerdas tanto de las cuerdas de la cara superior como las de la inferior del mandril. Los ángulos de cuerda se guiaron mediante un codificador giratorio para asegurar la exactitud acumulativa. Se usaron un total de 44 secuencias de seis tiras, se cortaron esteras intermedias de espesor doce secuencias y se apilaron para limitar el crecimiento del DE durante el urdido.

Se añadió agua desionizada para mejorar la manejabilidad y la compactación por enfurtido con agujas. La estera se recortó para encajar en la horma de DI 485 mm. Los segmentos de estera se colocaron dentro de la horma que contenía 150 gr de fibra troceada de longitud 101 mm distribuida uniformemente, y se cubrió con 150 gr de la misma. En una máquina de producción que utiliza el procedimiento de la patente de EE.UU. 5.705.008, la estera se perforó con agujas alternativamente sobre ambas caras con agujas Foster F20-9-32-8NK / LI / CC / BL 30MM 15 x 18 x 25 x 4 x 4 CB, y se fue rotando incrementalmente entre inserciones de agujas. La punzada de la aguja se ajustó a 1 mm menos que la penetración total y el total de NPCC alcanzados fue de 4836 por cada cara. La preforma final enfurtida con agujas era rígida, densa y plana, con las fibras troceadas preferentemente introducidas en el enfurtido. La preforma tenía un DI de 120 mm, un DE de 485 mm, el espesor era de 37 mm y el peso (húmedo) era de 4676 gramos.

Ejemplo 4

Se fabricó una preforma usando tres tiras de 2000 filamentos de fibra de brea en mesofase termoendurecida y oxidada en aire. Un mandril horizontal de 200 mm de diámetro y con puntales que se extendían radialmente se urdió usando las cuerdas de la Tabla 6A y la secuencia de la Tabla 6C. Se usaron tres tubos de guía paralelos para encordar las tiras de fibra alrededor de los puntales, envolviendo la secuencia de cuerdas sobre ambas caras del mandril. Los ángulos de las cuerdas se programaron en un indizador giratorio accionado mediante un Haas HASC CNC y el hilo se enfiló a través de los puntales con un solenoide giratorio Lucas de punzada 45 grados enlazado mediante un controlador lógico programable. La secuencia de 990 cuerdas se completó y la estera se cortó del mandril y se volvió a ensamblar manteniendo su orientación original de urdimbre superior e inferior.

Las Tablas 6A, 6B y la fig. 6 describen la estructura de la preforma. La primera columna de 6A es el número de veces que cada cuerda se usa para rellenar uniformemente una preforma por cada cara del mandril. Esto es diferente respecto a las secuencias de los ejemplos previos que utilizan el mismo número para cada ángulo de cuerda. La Tabla 6B contiene el porcentaje de fibra que rellena un anillo incremental para cada ángulo de cuerda. La Tabla 6C añade un valor de ordenación a cada ángulo de cuerda y se usa para generar la fig. 6, que es un corte de un sector de la preforma que ilustra la construcción de la estera. Los números de ordenación de cada cuerda se ajustan para poner una cuerda particular o un conjunto de cuerdas en un espesor deseado de la preforma final donde sean más efectivas dentro de la estructura compuesta de la preforma. La fig. 5 es el trazado del patrón completo dispuesto en todos los ángulos de cuerda usados en el Ejemplo 4.

Se añadió agua desionizada para mejorar la manejabilidad y la compactación por enfurtido con agujas. La estera se recortó para encajar en una horma de DI 198 mm con un fondo enfurtido y carriles en cuña. Agujas de enfurtido Foster F20 8-22-3B 2B/E 15 x 18 x 36 x 3,5 SBA, distribuidas a 4996 agujas/cm^{2} en un patrón ortogonal aleatorio montado sobre una cabeza ranurada se ajustaron para penetrar 5 mm a través de la cara posterior de la estera a fin de enredar las fibras. La estera se enfurtió a 4192 penetraciones por centímetro cuadrado (NPCC), se invirtió y se enfurtió de nuevo a 4192 NPCC.

La preforma final enfurtida con agujas era rígida, densa y plana. Las dimensiones físicas de la preforma eran: DI = 38 mm, el DE era de 200 mm, el espesor de 10,4 mm y el peso (húmedo) era de 225 gramos. La preforma se carbonizó mediante calentamiento en una atmósfera de nitrógeno a una tasa de 50ºC/h hasta 800ºC; y a 70ºC/h hasta 1235ºC, con un tiempo de mantenimiento de una hora a esa temperatura. La preforma carbonizada era sólida y con una buena integridad. La contracción y la pérdida de masa y agua resultaron en un peso final de 136 gramos, un DI de 31,7 mm, un DE de 193 mm y un espesor de 8,9 mm. La densidad de volumen era de 0,55 gr/cm^{3}.

Esta preforma se densificó usando infiltración por vapor químico a fin de conformar un artículo de carbono/carbono con una densidad de 1,81 gr/cm^{3}. Artículos producidos similares a esta pieza se evaluaron y se evidenció que tenían una buena resistencia y una fricción conveniente para aplicaciones de discos de fricción de elevada energía.

Ejemplo comparativo 1

Se fabricó una preforma de acuerdo con la patente de EE.UU. nº 5.705.008 usando fibra troceada de 63,4 mm conformada en una estera dentro de la horma del Ejemplo 2. La preforma se compactó con la zapata y se enfurtió con las agujas del Ejemplo 2 a 11286 NPCC por cada cara. La preforma se carbonizó como en el Ejemplo 2 y resultó una densidad de 0,61 gr/cm^{3}.

Esta preforma se densificó con una resina epoxy de bajo módulo (EPON 828 / Jeffamine 230) y se comprobó mecánicamente proporcionando una resistencia y un módulo tensionales tangenciales de 72,9 HPa y de 15,8 GPa, respectivamente. El cálculo de la eficiencia de traslación se usó para comparar su comportamiento respecto al Ejemplo 2.

Eficiencia de traslación (%) = (módulo axial medido / módulo calculado) x 100

Módulo calculado = [Módulo de la fibra x fracción de volumen de la fibra plana x factor isotrópico plano]

Módulo de la fibra = 172 GPa (fibra P25)

Fracción de volumen de la fibra plana = 0,61 gr/cm^{3} preforma / 1,93 gr/cm^{3} fibra – fibra "Z"

Estimación de la fibra "Z" = 10% (fracción de volumen 0,025)

Eficiencia de traslación = 15,8 / (172 GPa x 0,284 fracción de volumen de fibra plana x 0,45) x 100 = 71,9%

El compuesto de cuerdas alcanza un 16,4% de incremento en rigidez.

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TABLA 3

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TABLA 4

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Claims (15)

1. Una preforma para su uso en la fabricación de un artículo compuesto que tiene la forma de una estera generalmente circular compuesta por una disposición de fibras dispuestas dentro de los límites de la preforma definidos por las caras circulares superior e inferior de la estera, caracterizada porque las fibras en dicha disposición se disponen como cuerdas de un círculo en un amplio intervalo de orientaciones en todo el espesor de la estera.

2. Una preforma de acuerdo con la Reivindicación 1, en la que el 5-100% de las fibras de la preforma se disponen como cuerdas sustancialmente continuas de un círculo dentro de los límites de la preforma.

3. Una preforma de acuerdo con la Reivindicación 1 o la Reivindicación 2, en la que las cuerdas son sustancialmente continuas dentro de los límites de la preforma y la preforma es sustancialmente isotrópica.

4. Una preforma de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que tiene un peso superficial de fibra sustancialmente uniforme.

5. Una preforma de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dichas fibras son fibras de carbono.

6. Una preforma de acuerdo con la Reivindicación 5 que comprende tiras de fibra de carbono dispuestas como cuerdas de un círculo, en la que las fibras son sustancialmente continuas dentro de los límites de la preforma y las tiras de fibra de carbono de la preforma se disponen según numerosas orientaciones.

7. Una preforma de acuerdo con la Reivindicación 5 que comprende tiras de fibra de carbono dispuestas como cuerdas de un círculo, en la que las cuerdas son sustancialmente continuas dentro de los límites de la preforma y la preforma es sustancialmente isotrópica en el nivel de lámina con respecto a sus propiedades de resistencia, rigidez y térmicas.

8. La preforma de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que la preforma se enfurte con agujas para su refuerzo tridimensional.

9. La preforma de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que dicha preforma se incrusta en una matriz seleccionada entre resinas termoendurecidas, resinas termoplásticas, carbono, metal y cerámica.

10. La preforma de la Reivindicación 9, en la que la matriz es carbono.

11. Uso de la preforma de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores para fabricar discos de fricción que comprenden tiras de fibra de carbono dispuestas como cuerdas de un círculo, en la que el ángulo y la colocación de dichas cuerdas se selecciona para optimizar las propiedades de resistencia, de rigidez y de fricción según varios planos del disco de fricción.

12. Un procedimiento para fabricar una preforma de acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 1 a 10, que comprende los pasos de urdir una fibra según las cuerdas de un círculo alrededor de un mandril con puntales para rellenar la forma de la preforma uniformemente y conformar una preforma de forma casi neta.

13. Un procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 12, que comprende enfurtir con agujas la preforma para proporcionar refuerzo tridimensional.

14. Un procedimiento de acuerdo con la Reivindicación 12 o la Reivindicación 13, en el que los ángulos de cuerda se seleccionan de tal modo que la preforma tenga un peso superficial de fibra sustancialmente uniforme.

15. El procedimiento de acuerdo con cualquiera de las Reivindicaciones 12 a 14, en el que la preforma tiene un cociente entre Diámetro Exterior y Diámetro Interior, y en el que los ángulos de cuerda se seleccionan de tal modo que la preforma sea sustancialmente isotrópica en el nivel de lámina con respecto a sus propiedades de resistencia, de rigidez y térmicas.