TW526131B - Rapid densification of porous bodies (preforms) with high viscosity resins or pitches using a resin transfer molding process - Google Patents

Rapid densification of porous bodies (preforms) with high viscosity resins or pitches using a resin transfer molding process Download PDF

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James F Pigford
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Description

526131 A7 B7 五、發明説明（1 ) 本發明之技術領域以及工業上之可利用性 本發明係關於一種利用樹脂轉換模塑方法而快速密實化 高溫材料之改良方法，其中該材料係包括碳-碳（“ C-C”）複 合物以及具有高黏度樹脂或松脂之孔隙預塑體。 發明背景 本發明係揭露一種用以快速密實化高溫材料之改良方 法，其中該材料係包括碳-碳複合物、碳及陶材纖維強化 之預塑體，以及碳與陶材發泡乳膠。 一般而T ’這些南溫材料係利用碳及/或陶材之 C VD/C VI(化學蒸氣沉積/化學蒸氣渗透），或者係以樹脂及/ 或松脂及其混合物之液體滲透方法來加以密實化。該 CVD/C VI方法係相當花費成本，且需要很長的形成周期時 間，許多密實化形成周期係需要花費數個星期才能完成。 具有樹脂及松脂之孔隙體的注入通常係需要採用眞空/壓 力滲透（VPI)。在VPI方法中，一定體積的樹脂或松脂係在 一容器中熔化，而具孔隙之預塑體則係容置在眞空狀態下 之第二容器中。熔化之樹脂或松脂係利用眞空及壓力的組 合作用而由第一容器轉移至容置在第二容器中之具孔隙之 預塑體中。該VPI方法係偈限於僅可使用具有低黏滯性之 樹脂及松脂，且因此具有較低的碳產率。因此，利用VPI 方法之具有液態樹脂及松脂半成品之具孔隙之預塑體的密 實化，通常在碳化之後係需要數個注入形成周期（通常係 高達7個周期），且需要長達數個星期的周期時間，以達到 所需要之最終密度。 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 裝· 訂
526131 A7 B7 五、發明説明（2 爲了避免在一般VPI方法中由於使用焦炭產生量之樹脂 及松脂所引起的長形成周期時間，因此可以採用高壓注入 /碳化（PIC)方法來增加松脂之碳產率。一般的高壓碳化形 ^周期中之壓力係超過5〇〇〇 psi，且通常高達15⑽〇 psi。 藉由呵壓碳化所達到之高焦炭產出量係可使密實化形成周 期由6-7個形成周期降低至3-4個形成周期，而可達到等效 的法度.。然而’咼壓容器係相當耗費成本，且具有尺寸上 的限制，因此便會限制在一容器中可以密實化之預塑體的 數量。所使用之高壓亦會增加爆炸的風險，且需要特殊的 安全預警措施，以符合安全標準。 另一種可增進碳密實化效率之方法，係採用具有高碳產 率（> 80% )之液態樹脂。一般之高碳產生量樹脂係包括人工 合成中間相松脂（例如，由觸媒聚合化樟腦所形成ar中間 相松脂，其係由Mitsubishi Gas Chemical公司所生產），以 及熱或化學處理之煤焦油以及石油衍生之松脂及其他熱塑 性樹脂。然而，在目前VP][方法中利用這些高焦炭產出量 樹脂所會產生的問題係在於，其具有較高的黏滯性，且需 要較兩的反應溫度。 本發明係提供上述問題的解決方案，且提供一種方法， 該方法可以提供具有較高密度之複合物且可降低形成周期 時間。本發明係利用樹脂轉換模塑（RTM)技術，並且結合 高焦炭產生量之樹脂，而可以在數分鐘内來密實化該具孔 隙之預塑體。 ~ ^ RTM方法並非係新技術。近年來，樹脂轉換模塑，& -5-
526131 A7 B7 五、發明説明（3 ) RTM，及其衍生方法（其亦稱之爲樹脂射出模塑方法），在 航空、汽車及軍事工業上係被廣泛使用，以做爲一種將具 孔隙之預塑體加以密實化的方法。事實上，RTM係起源於 1940年代中期，但其商業利用價値並不甚高，一直到i960 及1970年代，其才被用以生產日常用品，諸如浴缸、電腦 鍵盤及肥料漏斗。 RTM通常係用以生產聚合物類型之複合物。其係將纖維 預塑體或團塊放置在一符合所需元件之幾何形狀的模具 中。一般而言，具有較低黏滯性之熱固性樹脂係利用壓力 或眞空引致力而以低溫（100-300°F，38-149Ό )射入至容置 在模具中之孔隙體。該樹脂係會在模具中硬化，然後再由 模具中取出。 RTM之獨特優點係在於其可以符合汽車工業以低成本來 生產每年所需要之高產量（約500-50000)個元件之需求，以 及可以符合航空工業生產每年所需要之高性能/低產量（約 50-5000)個元件之需求。RTM之變化型式係使其可以適用 於生產大型、複雜之厚截面結構體，以應用於基本設施及 軍事用途。舉例來説，其可應用於武裝複合式裝甲交通工 具（CAV)之下半部艙體。在汽車工業中應用RTM技術亦已 有數十年之久。 美國專利第5,770,127號中揭露一種製造碳或石墨強化複 合物之方法。其係將一堅硬的碳發泡乳膠預塑體放置在一 密封的可撓性袋體中。接著，在該袋體中形成眞空狀態。 經由一注入閥而將基質樹脂導入至袋體中而注入預塑體 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)
526131 A7 B7 五、發明説明（4 ) 中二預塑體接著藉由加熱而硬化。所形成之碳或石墨結構 接著便可以由袋體中取出。 美國專利第5,306,448號係揭露一種樹脂轉換模塑方法， 其係採用一貯槽。該貯槽係包含一種壓力軟化之孔隙海棉 體，其含量係樹脂中之海棉體重量的兩倍至十倍。該樹脂 貯槽係可以藉由提供一種可以確保具孔隙之預塑體（諸如 孔隙狀纖維強化之複合物）可適當注入之樹脂貯槽，而促 進樹脂轉換模塑。 美國專利第5,654,059號係揭露一種包含不連續熱固性松 脂纖維之厚的三維團塊狀結構之製造方法，且具有至少 80%之針孔貫穿該結構體。 美國專利第4,986,943號係揭露一種可以使碳_碳複合物之 松脂基質的氧化物穩定的方法。在此一方法中，一網格狀 碳纖維係由一種松脂基質預塑體所滲透，且在含氧氣體中 在低於松脂軟化溫度之溫度下來進行氧化，然後加以碳化 而將基質材料轉變成焦炭。 在一般樹脂及塑膠之擠壓成型處理中，一種黏滯性熔流 係在壓力作用下以一種連續流方式而被迫入至一塑形模 中。饋進原料係以熔化狀態而進入至擠壓裝置，但一般而 吕，其係包含有固態顆粒，且其必須進入至擠壓器中來加 以熔化、混合及加壓。該固態饋料可以呈彈丸狀、粉末、 珠狀、薄片狀或再研磨材料。各種成份係可以預先混合或 分開地經由一個或多個饋進口來加以饋進。 大邵分的擦壓器係採用一單一螺桿，其係可以在一水平 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 肩 km
裝·
526131 A7 B7 五、發明説明（5 ) 圓筒中轉動，且具有一安裝在一端部（饋進端）之注入口， 以及一安裝在排放端（計量端）之塑形模。一系列的加熱器 係沿煮圓同之長度方向配置’以將擠壓器區分成分開的加 熱區域。在典型的擠壓應用中，一塑形模係用以形成一纖 維、桿體其他形狀。在RTM方法中，該塑形模係可以由内 含孔隙體或預塑體之模具來取代之。
雙螺桿擠壓器係比單螺桿式擠壓器少用，但其係欲被廣 泛地應用於困難的複合設備、液化設備以及用於擦壓具有 高黏滯性及有限之熱穩定性之擠製材料。雙螺桿設計可以 係相互逆轉或共同轉動式設計，且螺桿可以完全相互咬 合、部分咬合或不相互咬合。擠壓成型技術係業界所習知 的，其係揭露在John Wiley & Sons公司於1990年出版之 Concise Encyclopedia of Polymer Science and Engineering( Jaqueline I. Kroshwitz所著）一書中之第 363 頁 至367頁；以及紐：約Van Nostrand Reinhold公司出版之 Principles and Plasticating Extrusion(Z.Tadmore and I.Klein 所著）一書中。 雖然使用高焦炭產生量樹脂係可以提供較高的碳產率以 及減少用以達到最終密度之密實化形成周期，然而其並無 法使用在VPI及RTM方法中。在VPI中使用高焦炭產生量樹 脂係有所限制的，這係因爲高焦炭產生量樹脂具有較高之 黏滞性而需要較高溫度來降低樹脂及松脂之黏滯性，以利 於注入。高焦炭產出量樹脂之較高處理溫度及較高的黏滯 性，係會在目前的VPI及RTM方法中產生以下的問題。 -8- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 B7 五、發明説明（6 ) 1) 樹脂在注入之前便會在容置容器中硬化。 2) 需要較高的壓力來注入高黏滯性樹脂。 3) 樹脂不均勻且不完全地滲透至孔隙體或預塑體，係 會形成乾點（多孔性），其係由於空氣被包封在預塑體中而 形成。 在RTM中成功地使用高焦炭產生量之樹脂，相較於目前 CVD/CVI及VPI方法，係可以大大地降低複合材料之密實 化形成周期時間而可以獲得所需要之最終密度，其係藉由 降低注入之形成周期次數而達成。此外，在RTM方法中使 用高焦炭產出量樹脂係以降低樹脂的浪費（樹脂之90%的用 量）。 在RTM方法中使用高焦炭產出量樹脂，係需要數種創新 條件，包括： 1) 可以使高黏滯性樹脂有效、均勻地流動且穿透預塑 體之裝置。 2) 可以避免由於樹脂不完全注入及空氣及揮發性物質 殘留在預塑體中所造成之乾點的裝置，且藉此使得密實化 效率得以最佳化。 習知技術説明需要一種可以在高溫下注入一具有高黏滯 性熔化樹脂（例如，AR中間相松脂）之具孔隙之預塑體的方 法及裝置。所形成之注入預塑體最好係可以防止，，乾點，，的 產生，且具有可以經過再處理之性能，諸如氧化的穩定 性、碳化及石墨化。 發明摘要 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐）
裝 町
線 526131 A7 B7 五、發明説明（7 ) 本發明係提供一種利用高黏滯性、高焦炭產出量樹脂（例 如，中間相松脂）而將一孔隙纖維狀預塑體或一堅硬孔隙 體加以迅速滲透之方法。 本發明係提供一種利用高黏滯性中間相松脂來密實化一 堅硬體之裝置及方法。 本發明亦提供一種擠壓器或類似裝置，以均勻地溶化及 混合噴射媒質（高黏滯性樹脂）。該擠壓器可以係一單螺桿 或雙螺桿擠壓器。採用單螺桿擠壓器係較佳的，因爲其成 本較低。 本發明亦提供一種擠壓器，其係可以配備一積聚器，以 在將一定體積之樹脂在壓力作用下噴射至模具之前，將該 一定體積的熔化樹脂容置於其中。本發明之一優點係在 於’其提供一種樹脂轉換模塑方法，該方法可以避免樹脂 的浪費。 本發明亦提供一種液壓式壓板，以限制一内含孔隙狀預 塑體或堅硬孔隙體之模具。 本發明亦提供一種模具，其可以有效地使樹脂均勻地分 佈於預塑體。 本發明亦提供一種模具，其係可以水平地定位在該壓板 中。一具有噴嘴之閘體亦可以配置在模具半體之一表面的 中央位置。該模具係可以具有漸細狀凹室，以充份地促進 該溶化樹脂的流動。 本發明亦包含一種用於模具之快速樹脂或松脂轉換模塑 万法，其包含：將一孔隙狀預塑體放置在一模具中；將熔 -10- 紙張尺度通用+ s ®家標準(CNS) A4規格(21GX 297公爱) 526131 A7 B7 五、發明説明（8 ) 化樹脂或松脂噴射至模具中；使樹脂冷卻至溶點以下之溫 度；以及將經注入之孔隙狀預塑體由模具中取出，其中該 模具係包含一上半體；一下半體，其係相對於上半體而配 置，使得該上半體及下半體可以構成一模凹；至少一閘 體，其係配置在上半體或下半體中；一閥體，其中該閥體 係可使樹脂或松脂流入至閘體中；以及一種配置，其係用 以使該模具具排放功能及在該模具中提供眞空。 該孔隙體可以係纖維狀預塑體、碳纖維預塑體、不織布 預塑體、具有一結合劑之任意纖維預塑體、硬化之預塑體 或發泡乳膠預塑體。該預塑體可加以碳化或石墨化。該預 塑體可以利用CVD/CVI來加以滲透。該預塑體可以事先經 過樹脂注入處理。該預塑體係可以在放入至模具之前或之 後將其加熱至介於200-425°C(554-797°F)之間的溫度。該預 塑體可以加熱至高於樹脂或松脂熔點之溫度。該模具係加 熱至介於138-310°C(280-590°F)之溫度。該樹脂或松脂可以 係煤焦油、石油或人工合成松脂預成品之衍生物，諸如人 工合成松脂、煤焦油松脂、石油松脂、中間相松脂、高焦 炭產出量熱固性樹脂或其混合物。多個零件係可以裝填在 一單一模具中。 再者，依照本發明，在密實化之後的零件係可以在含氧 氣體中於較高的溫度下來進行處理，以有效地鍵結該熱塑 性樹脂。此一方法，類似於在製造松脂基碳纖維中所使用 的方法，其係在該預塑體中將基質固定在定位，以避免基 質在後續加熱至高於樹脂熔化溫度的期間，產生軟化、膨 -11 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 526131 A7 B7 五、發明説明（9 ) 脹及流出的情況。該氧氣穩定化係可使密實化零件在氧氣 存在的情況下加熱至小於樹脂軟化點之溫度（302-482T， 150-250°C)，通常係338°F(170°C)。密實化零件之其他額外 的處理係可包括碳化、石墨化、及利用RTM或CVD/CVI而 再進行注入處理。 本發明之目的、特徵及優點，將可以由下較佳實施例之 詳細説明、後附申請專利範圍及後附圖式，而獲得更深入 的瞭解。 圖式之簡單説明 本發明將可以由以下的詳細説明及附圖，而獲得更深入 的瞭解，其中在説明及附圖中之實例僅係做爲闡述本發明 之用，其對於本發明並未有任何限制。該圖式並非實際比 例的圖式。 圖la及lb係顯示可以由本發明來加以處理之纖維狀預塑 體的仰視圖及側視圖。 圖2a係顯示本發明之一實施例的擠壓樹脂模塑裝置。 圖2b係模塑裝置之擠壓器的細部結構圖。 圖3係顯示本發明之一實施例之模具的截面視圖，其包 括樹脂流動包圍及流經預塑體的大概狀況。 圖4係依照本發明之一實施例之漸細狀模具腔室的截面 視圖’其包括樹脂流動包圍及流經預塑體的大概狀況。 圖5係顯示依照本發明而對應於圖3及圖4之截面圖的上 方及下方模具半體。 圖6係依照本發明之一模具的下半體的另一實施例。 -12- 本紙張尺度遍用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐）
線 526131 A7 B7 五、發明説明（11 ) h) 由於迅速滲透，因此使用較冷卻之模具溫度， i) 在RTM期間使松脂或樹脂注入溶劑發泡，以產生額外 之表面積’來輔助CVD/C VI方法、熱性質或修改表面 積， j) 當以液態晶體（諸如中間相松脂）來滲透時，可以形成 一流體結構之性能，以及 k) 在滲透之前可以將其他材料複合至樹脂熔流中。 以下之實例係説明利用擠壓成型並結合積聚器以及模具 技術，以提供用以密實化具有高黏滯性、高焦炭產出量樹 脂之孔隙體的設備及方法。 爲了闡述本發明，在此係將樹脂定義爲熱塑性或熱固性 液態半成品，其包括酚系、糠醛，以及松脂，包括煤焦 油、石油、人工合成物之衍生物，以及經熱處理及觸媒轉 換之松脂、中間相松脂，以及預陶化之聚合體，諸如 Ceraset®，其係由Commodore科技公司所生產。 爲了闡述本發明，在此係將模具定義爲一種容置容器， 其中可以容置孔隙體或預塑體，且於其中來產生樹脂之滲 透。 在前兩個實例中，一種類似於使用在航空器制動器設備 之小規模的孔隙狀纖維預塑體，係定義爲具高焦炭產出量 之樹脂。圖1 a及lb係顯示用於這些實例中之纖維狀預塑體 之仰視圖及側視圖。此一預塑體1係具有5英吋的直徑。在 預塑體1的中央處係具有一開孔2，其係可具有0.5英吋 (1.27公分）至數英吋之直徑。預塑體1係具有1英吋（2.54公 -14 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 B7 五、發明説明（12 ) 分）之厚度。 首先，利用一擠壓器來進行實驗，例如，一種kilH〇n， 唇器’其中在該擠壓器上係配置有一鋁製模具，該模具係 具有一小通風口，例如，〇〇31英吋（〇·79毫米）之模凹細 孔，以使殘留的空氣及揮發性物質，在注入期間可以由預 塑體中排出。此一細孔係設計成可以在擠壓器給定之rpm 下保持模具中之背壓，藉此來加壓該模具，而使得樹脂可 以均勻地滲透進入至孔隙狀預塑體中。松脂粉末或彈丸係 饋進至單螺桿擠壓器。該擠壓器沿著筒體係具有加熱區 域。在被直接擠壓至加熱模具之前，該樹脂（AR松脂）係在 擠壓器中熔化。 裝 實例1 一具有35 : 1之長度對直徑比値且沿筒體係具有五個加熱 區域之killion擠壓器，係直接連結至一加熱的鋁質模具。 該擠壓器溫度分佈如下：
線 饋進部分=240°C (464°F)區域1 278°C (532°F)區域 2 310°C (590T)區域 3 305°C (581°F)區域 4 300°C (572°F)區域 5 305°C(581°F)模凹區域 300°C(572°F)模具 纖維狀預塑體係在模具中預加熱2小時，直到在滲透之 前達到内部溫度285°C (545T)爲止。該擠壓器螺桿一開始 -15- 本紙張尺度適财國®家鮮(CNS) A俱格(210x 297公爱) ________ 57 526131 A7 五、發明説明（13 ) 係以2〇rpm的轉速來轉動，且在運轉期間降低至^卬㈤。 AR松脂樹脂係經由一漏斗而導入至擠壓器中，並且以8〇〇_ 900 psi(5.52-6.21 MPa)溶化壓力而在2小時期間内擠壓至該 孔隙纖維狀預塑體中。實際的樹麟化溫度係利用定位在 熔流中之熱耦合器來加以測量。在滲透期間的熔化溫度係 3181321Χ：(6()4Τ.Τ)，並且高於擠壓器之設定溫度， 因馬在擠壓器中之螺桿係會在熔流中引起額外的剪力能 量。該擠壓器螺桿在兩個小時的運轉期間係打開且關閉， 以維持熔化壓力爲800_900 psi(5 52_6 21 Mpa)。在大約ι〇- 15分鐘之後，可以觀察到樹脂係由定位在模具側邊上的 1/32英吋（〇·79毫米）通孔而離開。 在2小時之後，將模具加以冷卻，且將熱源關閉。在熱 源關閉30分鐘之後，便將模具拆開，且將零件取出。在取 出後，將該零件對半切開，並且目視檢查之。該零件幾乎 係完全充填樹脂，且未含有小乾點部位，並且在纖維層之 間有某些分離層之跡象。 触雖然可以成功地將具有高黏滞性樹脂注入至孔隙狀預塑 體中，然而其仍存在有幾個需要改良的地方，包括： 1) 降低注入時間 2) 降低乾點部位的尺寸 3) 消除零件分層的傾向。 在實例2中係顯示一 RTM密實化方法，其係用以密實化 C VD硬化之孔隙纖維狀預塑體。預塑體之。从〇硬化係用 以強化該孔隙狀預塑體，並且降低纖維狀預塑體產生分層 -16 - f紙張尺度適财_家標準(CNS) M規格(“挪公董 526131 A7 B7 克、發明説明（14 ) 之傾向。 實例2 將一不織布孔隙狀預塑體加以碳化，並且進行一個形成周 期之CVD密貫化’以使零件在注入樹脂之前得以硬化。 在此係採用如·實例1所使用之Killion擠壓器/模具系統。 一 CVD硬化纖維預塑體係具有5英吋（12.7公分）之直徑，一 英吋（2·54公分）之厚度，且在中央部位鑿設一 〇 5英吋（127 公分）之開孔，其係由一全尺寸航空器制動器圓碟預塑體 (參考圖1及2)所切割下來。鋁製模具係具有6英吋（15 24公 分）直徑，以及1英吋（2.54公分）之厚度，其係配備有_ 0.052英叫-(1.32毫米）之通風口。使用較大的通孔係要增進 樹脂（AR松脂）在模具中的通透性，同時使擠壓器可以在整 個滲透期間保持運轉。其目的係要保持螺桿運轉、保持固 定壓力、提供溶流在螺桿長度上的密封性，以及將整體運 轉時間由2小時降低至1 5分鐘。 該擠壓器之設定如下所述： 饋進部分=240°C (464°F)區域1 278°C (532°F)區域 2 310°C(590T)區域3 310°C (590°F)區域 4 305°C (581°F)區域 5 305°C (581°F)模凹 3 05°C (5 81°F)模凹（額外增加的模凹控制器） 305°C (581°F)模具 在啓動擠壓器之前，欲滲透之零件同樣係在模具中加熱 -17- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 526131 A7 B7 _._ 五、發明説明（15 ) 達2小時。該樹脂（AR中間相松脂）係由一漏斗饋進至擠壓 器。該樹脂係被擦壓達1 5分鐘，直到可以觀察到樹脂由通 孔脱離爲止。接著，將模具冷卻2 0分鐘。在滲透期間， 由於模具中之凸緣填隙件滲漏，而使壓力由開始的 850 psi(5.86 MPa)降至 260 psi(1.79 MPa)。 在滲透之前，該預塑體係具有0.815磅（369.7公克）的重 量，且最後重量係增加了 0.172碎（77.9公克）而達0.987磅 (447.6公克）。初始密度係0.048磅/立方英吋（1.34公克/立方 公分）’而最後密度爲0.059镑/立方英付（1.63克/立方公 分）。將經滲透的預塑體對半切開，其係被完全充填，除 了具有一很小的乾點部位以外。該乾點部位係由於模具填 隙件滲漏而造成滲透壓力下降所形成。然而，在以高黏滯 性樹脂（AR中間相松脂）密實化之CVD硬化預塑體中，並未 出現任何分層的跡象。由初步的樹脂轉換模塑試驗結果可 知，具有高黏滯性、高焦炭產出量樹脂（AR中間相松脂）之 纖維預塑體的滲透，係可以利用樹脂模塑方法來達成。以 下之説明及後面實例中，將闡述利用本發明之方法及裝 置，來注入較大型之預塑體，通常係使用在航空器制動碟 設備中之預塑體。 圖2a係顯示本發明之樹脂轉換模塑裝置。圖汕係顯示擠 壓器之細部結構。原料，通常係AR中間相松脂樹脂（由 Mitsubishi Gas Chemical公司所販售），係裝填至一漏斗3， 其係連接至一擠壓器4。該擠壓器可以係一單螺桿擠壓 器、雙螺桿擠壓器、一通孔式雙螺桿擠壓器或一往復式螺 -18 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 裝 訂
k 526131 A7 B7 五、發明説明（16 ) 桿擠壓器。該擠壓器螺桿5可以係單螺桿或雙螺桿，但基 於成本考量，以採用單螺桿擠壓器爲佳。該擠壓器螺桿5 係將樹脂經由饋進頸7〇而饋進，並且當沿著筒體6而被向 下輸送時，逐漸地加熱該樹脂。㈤以化心混合器71係有助 於崔保藉由在树知上施加機械功而使樹脂可以更均勻地溶 化。茲maddock混合器係會分散樹脂流動模式，且其亦可 以藉由在材料上施加剪力而增進添加劑在一單螺桿擠壓器 中的混合。靜態混合器72則係包含靜態混合元件。不銹鋼 桿體係焊接在一起，其係用以做爲將該熔化樹脂（及其他 添加物）由筒體中央傳送至筒體側壁然後再傳送回來之流 動槽道。每一混合元件係相對於鄰接元件而轉動一些角 度。在擠壓咨螺桿之端部上之madd〇ck混合器以及靜態混 合器元件係可以藉由增進樹脂熔流之混合及降低溫度差 異，而採用單螺桿擠壓器。樹脂接著便傳送至一積聚器 8。孩積聚器8可以係一種活塞式積聚器。該積聚器亦可以 係種液壓致動型活塞積聚器。樹脂熔流壓力係由該擠壓 器將積聚器8中之活塞7推回至適當位置所產生。本發明亦 可以直接噴射熔流而不需要採用積聚器8及活塞7。一旦所 需要之體積的樹脂已積聚完成時，該積聚器活塞7便向上 移動，而使一定體積之樹脂經由轉移管9而進入至模凹 中針對該轉移管係具有閥門配置（未顯示），以分別控制 樹脂的流動及回流。欲滲透之零件係容置在模具1〇中。模 具溫度係藉由一種具有熱交換器之油脂循環器來加以控 制。該擠壓器溫度係藉由一系列水冷式鑄鋁加熱器（丨丨）及 -19- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 裝
線 . 526131 A7 -— ____ B7 五、發明説明（18 ) /、腔A中之壓力的增加，而被壓縮成愈來愈小的體積。這 便會逐漸造成未由樹脂注入之小的孔隙部位（乾點）。在圖 示之模又计中係具有垂片，其係用以消除在零件中產生 It點的問題’而不需要在模具腔室中抽吸眞空。 圖3係顯不依照本發明之一實施例之模具的截面視圖。 該农圈狀預塑體18係放置在一環狀腔室19中。該環狀模具 腔A 19係、纟二由閘13而由中央饋進，且該閘係由上方閘14及 下万閘15所控制。該下方閘15係配備有一噴嘴16，該噴嘴 係具有一關閉桿17。環圈狀腔室19係分別由兩個〇D環圈 20及21所套住。每一 〇D環圈係具有大約%英吋至%英吋 (6.3 5-12.7¾米）重疊在該預塑體。在預塑體與〇〇環圈之間 具有較小的間隙，係有助於在模具中藉由從分別具有〇d 環圈20及21之端部至1]〇注入口（閘）而產生流動阻抗差而使 熔化樹脂流動阻塞。此一阻抗差係在〇]〇環圈端具有較大 的流動阻抗，而在預塑體上則係具有較小的流動阻抗，使 得高黏滯性樹脂可以有效地滲透該預塑體。通孔22係可以 消除殘留空氣、揮發性氣體及過剩的樹脂。雖然本方法可 以利用眞空或不利用眞空來進行，然而本方法係如此具有 功效，而可以不需要採用眞空。 圖4係顯示依照本發明之一實施例之具有一漸細狀腔室 之模具的截面圖。該環圈狀模具腔室29係藉由閘23而由中 央饋進，且該閘係由上方閘24及下方閘25所控制。該下方 閘25係配備有一噴嘴26，該噴嘴係具有一關閉桿27。一環 圈狀預塑體28係放置在模凹的腔室29中。該腔室”係分別 -21 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 _____B7 五、發明説明（21 ) 化（因爲排放孔43a、43b、43c及43d係使周圍的模具如同一 吸熱源），而不會流入至内部排放孔。 本發明係藉由擠壓及噴射松脂而以溶化之松脂來達到密 實化預塑體的目的。然而，當吾人考量利用射出機來擠壓 及將松脂射入至模具中，以供應均勻的壓力時，這係一個 非常快速的方法，而可以達到額外的優點。預塑體之射出 係相當快速，視預塑體的尺寸而定，其僅需要不到一分鐘 至數秒鐘的時間。射出方法係快到足以使模具具有更低的 冷卻溫度，甚至低於樹脂之熔點以下。然而，孔隙狀預塑 體係必須預先加熱至一高於松脂軟化點之溫度，以使熔化 之樹脂在壓力作用下可以流入至預塑體中。工業上的效率 係品要此方法能夠更快地完成。適當地控制壓力的產 生，係可以加速滲透處理之程序。 藉由適當的壓力控制，預塑體便可以更迅速地注入，而 不會在模凹中產生極端的作用力，其中該極端作用力係會 造成該壓板在注入過程中打開。考量模具腔室的面積以及 所訑加的噸位（例如，5〇〇噸），當模具腔室内部的力量大於 所施加的夾持噸位時，該模具便會打開。在注入期間的熔 机壓力將低於，例如，在航空器制動碟預塑體之模具中的 3000 psi。此一壓力係經由液壓系統及模具的排放性來加 以控制，如圖6-8所示。 #圖9係顯示依照本發明之一實施例之兩個預塑體放置在 模具腔立中的狀態。下方預塑體47以及上方預塑體48係堆 疊在下方模具表面49與上方模具表面5〇之間。模具表面分 -24- 本紙張尺度適用中國國豕標準(CNs) A说格(咖X撕公爱) 526131 A7 B7 五、發明説明（22 ) 隔件51、52及53係設置在預塑體47及48及其各別對應的模 具表面49及50之間。堆疊之分隔件係放置在預塑體之間。 該模具表面分隔件51、53係具有0· 125英吋（3.2毫米）厚度， 而該堆疊分隔件則係具有0.062英吋（1.6毫米）之厚度。 圖10係顯示依照本發明之樹脂或松脂流經堆疊預塑體的 流動狀態。樹脂係由閘5 4進入至模具中，且均勻地流經且 包圍該預塑體55及56，而均勻地注入至預塑體中。流動偏 離該預塑體之松脂係朝向排放環圈（未顯示）而流動。 RTM密實化優於其他，例如，CVD密實化方法，之優 點，係包括迅速滲透、在厚度上具有較均勻的密度、可以 充填（密實化）大型内部孔隙體，以及可以具有較高的最終 密度。本發明之裝置及方法係可以利用高黏滯性中間相松 脂而有達到有效的預塑體密實化。 AR中間相松脂係比習知的松脂注入物（例如圖1 1所示之 A240)，而具有較高的黏滯性（在高於及低於注入溫度 290°C時）。雖然其黏滞性係高於A240，然而其仍然夠低 (> 1.5 pa s)而可以利用本發明而完全地滲透至一預塑體 中。較高黏滞性之AR的另一項優點係在於，該松脂在冷 卻至小於290°C之溫度時，便可以迅速地固化。這使得藉 由RTM方法便可以增加零件的生產率。AR之黏滯性對溫 度的曲線，係落在由White及Gopalakrishan所定義的“處 理窗 口”内（參考圖 12)(J_L. White and M.K. Gopalakrishnan ， Extended Abstracts of 20th Bienial Conference on Carbon，1991，184)。除了 其高黏滞性以 -25- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 x 297公釐) 526131 A7 B7 五、發明説明（23 ) 外，當氧化穩定時之AR松脂係具有高碳產率（亦即，大於 85重量百分比）。就是這些組合的特性，使得AR松脂與其 他松脂注入物不同；而本發明（亦即，RTM方法）即是利用 這些獨特的組合特性。 數種原料，例如，磷、硼及矽基化合物，係可以添加至 樹脂或松脂。這些原料係包括吹氣劑、碳、石墨、陶材、 抗氧化劑、鍵結劑、黏土及矽土。氮氣係一種典型的吹氣 劑，然而亦可採用其他的吹氣劑。 本發明之裝置及方法的實施例中，尚包含可以藉由高黏 滯性熱塑性樹脂（諸如中間相松脂）來注入一零件的效能。 在背景技術中，其通常係採用低黏滯性熱固性樹脂。該預 塑體係可以具有20-70%的多孔性。本發明之一實施例的方 法係將一孔隙狀預塑體放置在一模具中，然後在噴射之 前，先將該模具抽眞空。在喷射期間亦可以將模具抽眞 空。或者，可以不需要採用眞空。該預塑體係可以在模具 中預先加熱或加熱。樹脂亦可以在模具中冷卻。經注入之 預塑體接著便可以由模具中取出。 模具係可以藉由去除劑來將密實化的預塑體加以去除。 有效的去除劑係Release Coating 854，其係可以由Huron科 技公司所購得。亦可採用其他市面上可購得之去除劑。 實例3 採用如圖2所示之射出成型塑模裝置。液壓壓板係具有 500噸的夾持性能。該積聚器係具有847立方英吋（13880立 方公分）的理論體積値，且使用樹脂之測得體積約爲830立 -26- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 B7 五、發明説明（24 ) 方英吋（13 061立方公分）。當完全充填AR松脂樹脂時，該 積聚器係包含大約37磅（16.8公斤）的樹脂。在擠壓器中之 溫度係在擠壓器筒體之六個部位、擠壓器頭部、流體接 頭、積聚器頭部、積聚器、傾卸閥、傾卸管、溶流管、噴 嘴塊、噴嘴延伸部以及饋進頸部來加以測量。熱量係藉由 一電熱器來提供，且模具係藉由熱油循環來加熱。該擠壓 器螺桿係會在樹脂溶流中產生壓力，且該壓力係保持在積 聚器中。 零件係在一爐體中預先加熱至707°F(350°C )，並且在滲 透之前轉移至模凹中。在喷射期間保持零件高於熔點溫 度，係使其可以流經該預塑體。這亦需要將壓力保持數分 鐘，以使松脂可以滲透進入至小孔中。在此一實例中，該 松脂係直接擠壓至模具中，而不是利用積聚器來噴出熔化 樹脂，以模擬利用Killion擠壓器所進行之小規模實驗。 AR中間相松脂的滲透係在一多孔的不織布纖維預塑體中 來進行，其中該預塑體係事先經過200小時的CVD密實 化。 初始的預塑體尺寸及重量係如下所示： 厚度=0.875英吋（2·2公分），ID=10.9英吋（27.7公分）， OD=18.6英叫"（47.2公分），重量=7.04碎（3193公克），密度 = 0.046碎/立方英对。 溫度分佈-Wilmington Structural Injection Molding Machine ： -27- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 B7 __- 、發明説明（25 ) 饋進端= 460°F(238°C)筒體 580 °F (304 °C)擠壓器 572°F(300°C)傾卸闕 530°F(277°C)筒體 頭部 580°F(304°C)流體接 572°F(300°C)傾斜管 550°F(288°C)筒體 頭 580°F(304°C)積聚器 572°F(300°C)熔流營 572°F(30(TC)筒體 頭部 580°F(304°C)積聚器 572°F(300°C)噴嘴塊 572°F(300°C)筒體 560°F(293°C)喷嘴廷 580°F(304°C)筒體 伸部 120°F(49°C)饋進頸部 樹脂係直接擠壓至預熱的零件中。在積聚器上之背壓係 用以在滲透期間保持模凹的壓力。該螺桿係以3 〇 rpm的轉 速來轉動，並且可以得到BOOpsid^ Mpa)的滲透壓力， 且在15分鐘的滲透期間的尾聲，該壓力係降低至168〇 psUMPa)。在模具中係使用一 〇·丨25英吋（3 2毫米）直徑的排 放孔。該熱油循環器係設定在58〇τ(3〇4Ό)。預塑體最故 的重量係9.25磅（4196公克）。以八汉松脂注入之預塑體的最 終密度係0.61磅/立方英吋（1·69公克/cc)。 實例4 在此係採用圖2及實例3中所述的裝置。ar中間相松脂係 注入至事先經過一個形成周期之CVD密實化之預塑體中。 該孔隙狀預塑體通常係用以做爲_航空器制動碟，且具有 以下的尺寸：19.9〇英吋（5〇 55公分）之〇D，ι2 32英吋 -28- 本紙張尺度適财® S錢準(CNS) Μ規格(⑽χ 297公爱) 526131 A7 B7 五 、發明説明（26 ) (31.29公分）之ID，及0.875英吋（2.22公分）之厚度。該擠壓 器溫度分佈如下： 溫度分佈 饋進端= 460°F(238°C )筒體 530°F(277°C )筒體 565°F(296°C )筒體 572°F(300°C)筒體 572°F(300°C)筒體 576°F(302°C)筒體 576°F(302°C)擠壓器頭部 576°F(302°C)流體接頭 576°F(302°C)積聚器頭部 576°F(302°C)積聚器 572°F(300°C)傾卸閥 572°F(300°C )傾卸管 572°F(300°C)熔流管 545°F(285°C)噴嘴塊 545°F(285°C )噴嘴延伸部 120°F(49°C)饋進頸部 該模具溫度爲5 6 0 °F (2 9 3 °C )，且該預塑體係預加熱至 716°F (3 80 °C )。該擠壓器螺桿係以3 0 rpm的速度來轉動， 且830立方英吋（13604立方公分）的積聚器則係充填至 47%。該積聚器係在18-20秒内排放，並且充填模具及預塑 體。朝該積聚器排放端之最大壓力2400 psi( 16.6 MPa)。一 0.62英吋（1·6毫米）的排放孔係定位在模具的側邊，如圖6所 示。初始的揮發性氣體係由排放孔排出，然後接著便是熔 化松脂。在滲透之後，該零件係冷卻達1 〇分鐘，以使樹脂 固化，並且由模具中取出。該預塑體係具有8.77镑（3 9 8 6克） 的初始重量，以及0.050磅/立方英吋（1.39克/立方公分）之 初始密度。在滲透之後，該預塑體重量係10.40磅（4727公 克），且密度爲0.062磅/立方英吋（1.72公克/立方公分）。該 -29- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 B7 五、發明説明（27 滲透過之預塑體係對半切開。該預塑體係呈現出飽實狀， 除了在接近預塑體中央部位有小的未滲透區域以外。 實例5 以下將説明使用如圖2及實例3所述之裝置來注入多個預 塑體的方法。兩個先經過一個CVD形成周期處理過的不織 布預塑體，係利用AR松脂來加以滲透。兩個預塑體係上 下堆疊在一起，且以小的高溫填隙材料（1英吋（2.54公分） 圓片）來將零件分開，以使樹脂可以流動包圍該預塑體， 如圖9及圖10所示。在預塑體與模具表面之間係採用具有 0.125英吋（3.2毫米）厚度之填隙件，而在兩個預塑體之間則 係採用具有0.062英吋（1.6毫米）厚度之填隙件。 擠壓器螺桿係以30 rpm的速度轉動，且該積聚器係充填 至90%滿。該積聚器係在40秒内排放，且在滲透端的最大 壓力係達2750 psi( 18.96 MPa)。滲透過的預塑體係在模具 中冷卻達10分鐘，以固化該熔化後的樹脂。在滲透之前及 之後的預塑體重量及密度如下： 表1 預塑體1 預塑體2 初始重量 6.93 lb(3143 g) 7.11 lb(3225 g) 初始密度 0.045 lb/in3 (1.24 g/cc) 0.046 lb/in3 (1.27 g/cc) 最終重量 9.29 lb(4214 g) 9.33 lb(4232 g) 最終密度 0.060 lb/in3 (1.65 g/cc) 0.060 lb/in3 (1.67 g/cc) 實例6 以下將説明利用在圖2及實例3中所述之裝置，而注入諸 -30- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 526131 A7 B7 五 、發明説明（28 ) 如在美國專利（混合型發泡乳膠專利）中所揭露之碳發泡乳 膠的方法。該發泡乳膠預塑體係藉由將熔化的松脂樹脂直 接擠壓至内含預塑體的模具中而加以滲透。該發泡乳膠預 塑體在滲透之前的密度係0.032磅/立方英吋（0.89公克/立方 公分），而在滲透後的密度則爲0.057磅/立方英吋（1.57公克 /立方公分）。 實例7 以下將説明利用在圖2及實例3中所述之裝置，而注入諸 如在美國專利(氣吹成型專利）中所揭露之包含小塊PAN基 碳纖維及碳化中間相松脂之預塑體的方法。 該擠壓器運轉狀態如下所示： 460°F(238°C)筒體 530°F(277°C)筒體 560°F(293°C)筒體 572°F(300°C)筒體 576°F(302°C)筒體 580°F(304°C)筒體 580°F(304°C)擠壓器頭部 580°F(304°C)流體接頭 580°F(304°C)積聚器頭部 580°F(304°C)積聚器 572°F(300°C)傾卸閥 576°F(302°C)傾卸管 580°F(304°C)熔流管 580°F(304°C)噴嘴塊 565°F(296°C)噴嘴延伸部 120°F(49°C)饋進頸部 在擠壓之前，該AR松脂樹脂係在一 Conair樹脂充填/乾化 系統中以190°F(88°C )的溫度乾燥達4小時。該擠壓器螺桿 係以30 rpm的速度轉動，且該積聚器係充填至54%滿。該 積聚器係在20-22秒内排放，且在滲透端的噴射壓力係 1800 psi(12.41 MPa)。 -31 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 B7 五、發明説明（29 ) 預塑體的尺寸係具有18.42英吋（46.79公分）之0D、9.79英 吋（24.87公分）的ID以及1.21英吋（3.07公分）的厚度。該初始 重量及密度分別係9.49磅（43 05克）及0.041磅/立方英吋（1.14 公克/立方公分）。在RTM滲透之後的重量及密度係分別爲 13.28磅（6023克）及0.057磅/立方英吋（1.59公克/立方公 分）。 實例8 在所有上述的實例中，預塑體在RTM滲透之後的切面， 係在接近環圈狀預塑體的中心部位呈現小的未滲透部位 (乾點）。此一乾點部位一般認爲係由於模具使該樹脂可以 包納預塑體的所有表面，且滲透係由外表面朝向中心部位 來進行所造成。該高黏滯性松脂並無法使原本内含在預塑 體中之空氣經由樹脂而排放至零件外面。以下的實例將説 明使用具有圖3所示之設計的模具，將可以藉由控制樹脂 流經預塑體及包圍預塑體的流動方式而消除乾點。 在此係採用圖2及實例3中所説明的裝置。該擠壓器溫度 分佈如下： 鑽進端= 460°F(238°C )筒體 53〇T(277°C )筒體 565°F(296°C )筒體 572°F(300°C )筒體 576°F(302°C )筒體 580°F(304°C )筒體 580°F(304°C )積聚器頭部 580°F(304°C )積聚器 565°Ρ(296Ό)傾卸閥 580°F(304°C )傾卸管 580°F(304°C )熔流管 580°F(304°C )噴嘴塊 -32- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131
五、發明説明（3〇 ) 580°F(304°C )擠恩器頭部 565T(296°C )喷嘴延伸部 58〇°F(304°C )流體接頭 UOT (49。(：）饋進頸部 擠壓器螺桿係以2 0 rpm的速度轉動。該模具係加熱至 450T(230°C )。在滲透之前，該預塑體係在一空氣循環爐 中預加熱至752T(40(TC)的溫度。該模具表面係設有0·04 英吋（1·2毫米）的開口，以使在模具0D中之空氣及揮發性 氣體可以排出。該積聚器係充填至25%滿，然後在20-25秒 内將樹脂倒入至模凹中以進行滲透。該經滲透的預塑體接 著便在模具中冷卻達1 5分鐘，以固化該樹脂，並且將其取 出。三個經過一個CVD形成周期處理之不織布預塑體，係 在這些條件下來進行滲透。該圓碟ID係12.32英吋（3 1.20公 分），OD係19.90英吋。在滲透之前及之後的數據係顯示如 下： 表2 序號 RTM前之重量 RTM前之密度 RTM後之重量 ____——η RTM 後^^ 98-9 Ιδ- 9.78 lb 0.041 lb/in3 14.141b 0.060 lb/in3 10 (4438 g) (1.14 g/cc) (6415 g) (1.64 g/cc) 98-918- 9.91 lb 0.042 lb/in3 14.161b 0.060 lb/in3 11 (4496 g) (1.15 g/cc) (6425 g) (1.64 g/cc) 98-918- 10.32 lb 0.044 lb/in3 14.38 lb 0.061 lb/in3 12 (4683 g) (1.20 g/cc) (6525 g) (1.67 g/cc) 在充填編號1、2及3之模具期間，該樹脂所具有之壓力 係分別爲18〇〇 psi、1400 psi及1900 psi。每一零件在滲透 -33- 本紙張尺度適用中國國家榡準(CNS) A4規格(21〇 X 297公釐) 526131 A7 B7___ 五、發明説明（31 ) 之後係粗略地切開16個相等的小區段。未發現任何未滲透 部位。利用RTM滲透而優於習知密實化技術（例如，CVD) 的優點係在於，在零件内部的開口孔隙係幾乎完全由樹脂 所填滿，而不像CVD以薄膜覆蓋。然而，當生產碳-碳複 合物終端產品時，該樹脂係必須熱解，以去除任何非含碳 元素。若使用諸如AR松脂之熱塑性、高碳產生量樹脂來 進行滲透時，對於熱解係有兩種選擇方式。若經滲透零件 係僅藉由加熱至熱解溫度來熱解時，則該樹脂有可能會再 熔化，而由零件中再度流出。一種熱解方式係採用熱均壓 法（HIP)。在此一方法中，零件係必須放置在一容器中， 然而該設備係相當筇貴，並且需要考量安全性。另一種方 法係在含氧氣體中將該經滲透的零件加熱至低於樹脂軟化 點的溫度，通常係介於302°F(150°C)及464°F(240°C)的溫 度。氧氣與樹脂反應，基本上係鍵結該樹脂。當氧氣與樹 脂反應時，氧氣係會被吸收至材料中，而使其重量增加。 若樹脂吸收適當量値的氧氣，則經滲透之零件便可以將熱 解溫度升高，而不會熔化該樹脂，且不會使任何樹脂由零 件内部再度流出。以下將説明一成功地穩定及碳化一 RTM 滲透之圓碟的實例。 實例9 六個航空器制動碟預塑體係經過一個CVD形成周期處 理，然後再進行如實例7及8所述之RTM滲透。在滲透之後 的結果如下表所示。 -34 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 B7 五、發明説明（32 表3 序號 RTM前之密度 RTM後之密度 K93-252-411 0.049 lb/in3(1.35 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) K93-252-412 0.049 lb/in3(1.35 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) K93-252-419 0.049 lb/in3 (1.37 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) K93-252-420 0.049 lb/in3 (1.36 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) K93-252-427 0.049 lb/in3 (1.35 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.71 g/cc) K93-252-428 0.049 lb/in3 (1.35g/cc) 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) 在樹脂滲透之後，便將圓碟放置在一溫度爲338°F(170°C) 之空氣循環爐中達18天之久。穩定度係以增加的重量相對 於在零件中之樹脂重量的重量百分比來測量：
%OMG
Sj-R) R-P :100 其中 P =在RTM滲透之前的圓碟重量 R=在RTM之後的圓碟重量 S =在氧化穩定之後的圓碟重量 在穩定化之後，便將該圓碟在氮氣中加以碳化（熱解）至 1652°F(900°C)的溫度。穩定化及碳化結果如下： 表4 序號 RTM後之密度 %OMG 碳化後之密度 碳產率(％) K93-252- 0.062 lb/in3 10.02 0.060 lb/in3 85.75 411 (1.72 g/cc) (1.66 g/cc) K93-252- 0.062 lb/in3 9.12 0.060 lb/in3 85.12 412 (1.72 g/cc) (1.66 g/cc) 35- 本纸張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 526131 A7 B7 五、發明説明（33 K93-252- 0.062 lb/in3 9.59 0.060 lb/in3 85.69 419 (1.72 g/cc) (1.67 g/cc) K93-252- Q.062 lb/in3 9.95 0.060 lb/in3 85.89 420 (1.72 g/cc) (1.67 g/cc) K93-252- 0.062 lb/in3 10.37 0.060 lb/in3 85.60 427 (1.71 g/cc) (1.66 g/cc) K93-252- 0.062 lb/in3 10.28 0.060 lb/in3 85.55 428 (1.72 g/cc) (1.66 g/cc) 在碳化至1652°F(900°C )的溫度之後，在加熱期間，該圓碟 並不會出現任何由圓碟内部流出樹脂的跡象。由圓碟中採 樣，並且藉由偏極光顯微鏡來觀察之。在整個圓碟厚度中 之顯微結構係可以利用此一技術來加以特徵化。再次地， 經由顯微鏡觀察，並未發現任何松脂熔化的跡象。 實例10 兩個已經經過一次CVD及一次RTM、氧化物穩定及碳化 處理的圓碟，係利用RTM而進行第二次滲透。該模具設 定、溫度及噴射參數係與實例9相同，除了注入尺寸係縮 減至17%以外。兩圓碟係具有以下的幾何參數：12.37英吋 (3 1.42公分）之ID、19.85英吋（50.42公分）之0D以及1.22英 吋（3.10公分）之厚度。這兩個零件的滲透結果係如下表5所 示0 -36- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 526131 A7 B7 五、發明説明（34 表5 J 高二周期射出RTM模具之結果 序號 RTM前重量 RTM前密度 RTM後重量 RTM後密度 98-928-6 14.161b. (6422 g) 0.062 lb/in3 (1.71 g/cc) 15.45 lb. (7010 g) 0.068 lb/in3 (1.89 g/cc) 98-928-25 14.27 lb. (6474 g) 0.061 lb/in3 (1.70 g/cc) 15.75 lb. (7145 g) 0.067 lb/in3 (1.86 g/cc) 當生產碳/碳複合物時，例如，航空器制動碟的製造，利 用CVD或樹脂滲透所進行之密實化，通常係需要進行3-5 個滲透形成周期，而需耗費數個月的時間來完成。利用重 複進行CVD滲透形成周期來進行密實化的缺點，係在於熱 解碳係會沉積成一層體，而覆在具有開口孔隙的表面上。 在滲透形成周期的期間，該表面細孔係會被堵塞。因此， 該圓碟由CVD爐中取出後，表面係需要經過機器加工，以 將内部細孔打開。中間的機器加工步驟的功效係會隨著 CVD滲透次數的增加而降低。 實例11 十一個不織布預塑體係依實例9所述之方式而先經過一個 CVD密實化形成周期的處理，一個RTM滲透處理以及碳化 處理，接著再額外進行一次CVD密實化形成周期處理。該 圓碟在RTM之前及在碳化之後與最終CVD形成周期之後的 密度，係如以下表6所示。 -37 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 裝 訂 線 526131 A7 B7 五、發明説明（35 表6 序號 RTM前密度 碳化後密度 第二次CVD後密度 97-918- 413 0.047 lb/in3 (1.30 g/cc) 0.060 lb/in3 (1.65 g/cc) 0.065 lb/in3 (1.79 g/cc) 97-919- 413 0.045 lb/in3 (1.25 g/cc) 0.059 lb/in3 (1.62 g/cc) 0.064 lb/in3 (1.78 g/cc) 97-919- 414 0.045 lb/in3 (1.24 g/cc) 0.059 lb/in3 (1.62 g/cc) 0.065 lb/in3 (1.79 g/cc) 97-919- 415 0.045 lb/in3 (1.24 g/cc) 0.059 lb/in3 (1.62 g/cc) 0.064 lb/in3 (L77 g/cc) 97-918- 701 0.044 lb/in3 (L22 g/cc) 0.057 lb/in3 (1.59 g/cc) 0.065 lb/in3 (L79 g/cc) 97-918- 901 0.045 lb/in3 (1.24 g/cc) 0.057 lb/in3 (1.59 g/cc) 0.066 lb/in3 (1.82 g/cc) 98-928-20 0.053 lb/in3 (1.47 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) 0.066 lb/in3 (1.84 g/cc) 98-928-21 0.053 lb/in3 (1.47 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) 0.066 lb/in3 (1.84 g/cc) 98-928-22 0.053 lb/in3 (1.46 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.71 g/cc) 0.066 lb/in3 (1.84 g/cc) 98-928-23 0.052 lb/in3 (1.44 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) 0.066 lb/in3 (1.83 g/cc) 98-928-24 0.053 lb/in3 (1.46 g/cc) 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) 0.066 lb/in3 (1.84 g/cc) 裝 訂 線 在製造不織布預塑體期間，織物之區段係利用傳統的織 布處理技術而以針缝合在一起。此一針織方方法係會在預 塑體的厚度上產生較大的孔缝，100-200微米的寬度以及 數百微米的深度。用以密實化這些用於航空器制動器應用 38- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐） 526131 A7 _____ B7 五、發明説明（36 ) 之不織布預塑體的傳統方法係CVD方法。每一CVD形成周 期係會在具有開孔之表面上沉積一層熱解碳層，其厚度係 介於2-10微米。在織物層中之纖維係極緊密地靠在一起u- 15微米間隔），且在初步的CVD形成周期期間係很難將這 些邵位加以密實化。然而，由針織所產生的大孔隙亦無法 有放地加以全實化。纖維不織布預塑體在密實化之前的密 度通常係0.018磅/立方英吋（05〇公克/立方公分）。在表7所 =之數據，係列出該與表6具有相同尺寸之圓碟在經過一 次、兩次、三次及四次CVD形成周期之後所測得的密度。 表7 CVD形成周期 密度 0 0.018 lb/in3 (0.50 g/cc^i 1 0.043 lb/in3 (1.20 g/cc^i 2 0.053 lb/in3 (1·48 g/cc、 3 0.060 lb/in3 (1.66 g/cc^i 4 0.062 lb/in3 (1.72 g/cc) 、如表7所示，隨著每一個連續的CVD形成周期的進行， =密度的增加會愈來愈少。這是由於該織物部位被完全充 填CVD，且較大的孔隙係覆有一層CVD，且未被完全充 填。該RTM則係可以在所有的開孔中充填碳預成體樹脂， 包括由於針織所產生的較大穿孔。當樹脂碳化時，該焦炭 (反化的Α ϋ曰）之备、度係會增加，且揮發性物質則係相對地 會減少重量（大約85%的碳產率，如實例9所示）。在密度上 的增加以及重量的減少，係會導致在整體之體積減少，這 -39- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 B7 ___ 五、發明説明（37 ) 便會在零件内產生内部孔隙。雖然碳化之松脂不會完全充 填該由於針織所造成的較大孔隙，然而其會減少整體的開 孔體積，同時產生額外的内部表面積，以利用後續的CVD 沉積。如由表6的數據所示，藉由組合RTM及CVD來取代 皆採用CVD密實化的方式，便可以將不織布預塑體加以密 實化，而可以得到較高的最終密度。 在預塑體以中間相松脂樹脂加以滲透之後，其接著便可 以進行後續處理，以將有機樹脂轉化成碳，其可以做爲在 一種碳/碳複合物材料中之碳基質元件。該經滲透之圓碟 接著係經過一種所謂的氧化物穩定之處理。松脂係熱塑性 的，且在加熱至足以碳化材料的溫度以上時，該樹脂便有 可能會再次熔化、膨脹及發泡。這些零件係被放置在空氣 循環爐中，而處在1 50及240°C之間的溫度，且通常係 170°C。氧氣會與松脂反應，然後與樹脂鍵結，基本上係 會將其轉化爲熱固性。此一方法係應用在製造松脂基碳纖 維上。這些處理程序的完成，係由質量的增量來評估，因 爲氧氣與松脂反應，其會被吸收，藉此便會增加整體的重 量。當僅測量松脂的重量增量時（處理後零件之重量-先前 的零件重量），若有8.5%的氧氣質量增量便已足夠。具有 OMG(氧氣質量增量）値介於8%及12%之間，便可以算是成 功地完成碳化。 在穩定化之後，零件便可以藉由在一惰性氣體爐中加熱 至高於650°C (1202°F)之溫度而碳化。碳化通常係在900°C (1652°F)的溫度下來進行。在碳化之後，零件在進一步處 -40- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131 A7 B7 五、發明説明（38 ) 理之前，係可先經過熱處理（石墨化），但此一步驟並非必 要。一般的熱處理溫度係在1600-2500°C(2912-4532°F)的範 園内，且以1800。(：（32721〇爲佳。該零件接著便可以利用 兩碳產率、高黏滯性樹脂之CVD或RTM方法來進一步密實 化，如在上述實例中所説明者。 在此應瞭解的是，上述之説明及特定的實施例僅係用以 閣述本發明之最佳模式及其原理，習於此技者在不脱離本 發明之精神及範圍的情況下，係可以很容易地對於本發明 進行修飾及增添，因此，應瞭解的是，本發明僅由後附的 申請專利範圍所界定。 -41 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐)

Claims (1)

  1. 526131 第〇9〇12161δ號專利申請案 中文申請專利範圍修正本(91年10月）、申請專利範圍 Α8 Β8 C8 D8 1. 一種快速的樹脂或松脂轉換模塑裝置，其包含：用以溶化及傳送一樹脂或松脂的裝置（4); 一模具（10)，其係設置成可將樹脂或松脂由熔化及傳 送裝置（4)傳送至模具（10)，該模具（1〇)係包含突出裝置 (20、21、30、31),其係用以形成一壓力梯度，而使樹 脂或松脂可以由模具（10)的内部區域朝向模具（1〇)的外 部區域流動；以及 用以限制模具之裝置，其係配置在模具中，用以在 將樹脂或松脂噴射至模具（10)的期間，限制該模具。 2·根據申請專利範圍第1項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 裝置’其尚包含一積聚器（8)，其係配置在溶化及傳送 裝置（4)與模具（1〇)之間。 3 ·根據申請專利範圍第2項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 裝置，其中該積聚器（8)係一種液壓致動式活塞積聚器(8)。 4‘根據申請專利範圍第1項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 裝置，其中熔化及傳送裝置（4)係單螺桿擠壓器、雙螺 样擠壓器、通氣式雙螺样擠壓器以及往復式螺样擠壓 器之其中一種。 5.根據申請專利範圍第1項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 裝置’其中模具（10)係包含： 一上半體（42); 一下半體（41)，其係相對於上半體（42)而配置，使得 該上半體（42)及下半體（41)可以構成一模凹（35); 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
    裝 訂 •線 526131 A8 B8 C8 申請專利範圍 至少一閘體（36)，其係配置在上半體（42)或下半體（41) 中； 一闕體’其中該閥體係可使樹脂或松脂流入至位在 上半體（42)或下半體（4丨）中之閘體（36);以及 一種配置（39、44)，其係具有使該模具（10)具排放功 月色及在該模具（1〇)中提供真空之其中一種功能。 6·根據申請專利範圍第i項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 裝置’其中該突出裝置（2〇、21、3〇、31)係由漸細狀 (30、31)模凹（29)及在模凹9)之外侧區域具有徑向延 件突起（20、21)之模凹（19)之其中一種所構成。 7. 根據申請專利範圍第6項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 裝置’其中該突起裝置（2〇、21、30、31)係具有排放孔 (38a、38b、38c、38d ; 43a、44b、44c、44d)以及真空 孔之至少·種。 根據申請專利範圍第6項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 裝置’其中該模具尚包含一外部排放孔（3 9、44)，其係 連通至與該突出裝暴_〇、21、30、31)相連接之排放孔 (38a、38b、38c、3顚参3a、44b、44c、44d)。 一種用於模具之快脂或松脂轉換模塑方法，其包 含： . 8. 9. 將一孔隙狀預塑體（1、18、28、47、48、55、5 6)放 置在一模具（10)中，該預塑體係在高於一樹脂或松脂之 熔化點以上之溫度下被轉換成預塑體，且具有用以限 制模具之裝置（12)，以使模具（10)可以保持其形狀； -2- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐) 526131 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 將高熔點、高黏滯性之熔化樹脂或松脂噴射至模具 (10)中，以藉由模具（10)中之壓力梯度而均勻地注入該 孔隙狀預塑體（1、18、28、47、48、55、56); 使樹脂冷卻至熔點以下之溫度；以及 將經注入之孔隙狀預塑體（1、18、28、47、48、55、 56)由模具（10)中取出。 10. 根據申請專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其中該模具（10)包含： 一上半體（42); 一下半體（41)，其係相對於上半體（42)而配置，使得 該上半體（42)及下半體（41)可以構成一模凹（35); 至少一閘體（36)，其係配置在上半體（42)或下半體（41) 中； 一閥體，其中該閥體係可使樹脂或松脂流入至位在 上半體（42)或下半體（41)中之閘體（36);以及 一種配置（39、44)，其係具有使該模具（10)具排放功 能及在該模具（10)中提供真空之其中一種功能。 11. 根據申請專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其中該預塑體（1、18、28、47、48、55、56)係 纖維狀預塑體、碳纖維預塑體、不織布預塑體、具有 一結合劑之任意纖維預塑體、硬化之預塑體及發泡乳 膠預塑體之其中一種。 12. 根據申請專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其中該預塑體（1、18、28、47、48、55、56)係 -3· 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) Α4規格(210 X 297公釐)
    裝 訂 526131 AS B8 C8
    一種孔隙狀碳主體。 13. 根據申請專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其中該預塑體（1、18、28、47、48、55、56)係 加熱至介於200-425。(：之間的溫度。 14. 根據申請專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其中該模具（10)係加熱至介於l38_3l〇t：之溫 度。 ’ 15. 根據申请專利範園第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法’其中該樹脂或松脂係人工合成松脂、媒焦油松 月HI、石油松脂、中間相松脂、咼焦炭產出量熱固性樹 脂或其混合物。 16. 根據申请專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其中多個預塑體（47、48 ; 55、56)係放置在一單 一模具（10)中。 17·根據申請專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其尚包含： 藉由在含氧氣體中將該經滲透之預塑體加熱至大約 150-240°C之溫度，而穩定該經滲透之預塑體〇、18、 28 、 47 、 48 、 55 、 56) 〇 18.根據申請專利範圍第π項之快速的樹脂或松脂轉換模 塑方法，其尚包含碳化該經氧化之滲透預塑體（i、 18 、 28 、 47 、 48 、 55 、 56) ° 19·根據申請專利範圍第18項之快速的樹脂或松脂轉換模 塑方法，其尚包含加熱至大約16〇〇-250〇°C之溫度，以 -4- 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210 X 297公釐) 526131 A8 B8 C8 _____ D8 六 、申請專利範i 一 ^--- 石墨化該經碳化之滲透預塑體（1、18、28、47 H 55 ' 56) ° 20·根據申請專利範園第19項之快速的樹脂或松脂轉換模 塑方法，其中該石墨化預塑體（1、18、28、47、48、 55、56)係進一步利用化學蒸氣沉積/化學蒸氣滲透或樹 脂轉換模塑方法來加以密實化。 21.根據申清專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其中在噴射熔化之樹脂或松脂之前，在模具（1〇) 中提供真空。 22·根據申請專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其中該模具（10)係包含一凹室（29)，其係具有漸 細狀頂壁（31)及漸細狀底壁（30),且該頂壁（3丨）及底壁 (3 0)之漸細方向係向内朝向該凹室（29)，而使該凹室係 逐漸接近該模具（10)之周邊。 23·根據申請專利範圍第9項之快速的樹脂或松脂轉換模塑 方法，其中模具（10)係一種漸細狀（30、31)模具，其係 足以產生壓力梯度，且設計成在模凹（29、19)中具有突 出部（20、21)，以產生該壓力梯度。 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格(210X297公釐)
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