本公開涉及碳纖維預(yù)制體，例如，用于形成碳-碳復(fù)合材料的碳纖維預(yù)制體。

背景技術(shù)：

碳纖維增強型碳材料，也被稱為碳-碳（c-c）復(fù)合材料，是一種包括在碳材料的基體中被增強的碳纖維的復(fù)合材料。c-c復(fù)合材料能夠用在許多高溫應(yīng)用中。例如，航空航天工業(yè)采用c-c復(fù)合材料作為用于商用和軍用飛行器的摩擦材料，例如制動摩擦材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

描述了用于形成碳纖維預(yù)制體的設(shè)備、系統(tǒng)以及技術(shù)。還描述了從該技術(shù)中得到的示例的碳纖維預(yù)制體和碳-碳復(fù)合部件。在一些示例中，碳纖維預(yù)制體可以包括多個單個的層，每個層包括多個碳纖維和樹脂?？梢杂扇S打印系統(tǒng)的打印頭來使樹脂和多個碳纖維沉積。例如，可以經(jīng)由打印頭使樹脂和碳纖維（例如作為包括與樹脂混合的多個碳纖維的復(fù)合材料或作為涂覆有樹脂的多個碳纖維）沉積在一起。附加地或替代地，可以經(jīng)由打印頭使樹脂和碳纖維分開地進行沉積以形成碳纖維預(yù)制體的單個的層。

總體上，樹脂和碳纖維的單個的層可以形成碳纖維預(yù)制體，該預(yù)制體呈現(xiàn)出如下中的至少一種：在預(yù)制體內(nèi)的非一致的樹脂的成分、在預(yù)制體內(nèi)的不同的碳纖維的類型、或者在預(yù)制體內(nèi)的非一致的纖維取向。例如，在碳纖維預(yù)制體的第一部分處的樹脂可以不同于在碳纖維預(yù)制體的第二部分處的樹脂。作為另外一個示例，在預(yù)制體的第一部分處的碳纖維的類型可以不同于在預(yù)制體的第二部分處的碳纖維的類型。作為另外一個示例，在預(yù)制體的第一部分處的碳纖維的取向（例如，相對于預(yù)制體的x-y平面）可以不同于在預(yù)制體的第二部分處的碳纖維的取向。如本文所使用的，碳纖維的取向可以指的是碳纖維的縱向軸線的取向。

可以例如經(jīng)由化學(xué)氣相滲透（cvi）/化學(xué)氣相沉積（cvd）和或樹脂致密化使碳纖維預(yù)制體致密化，以便形成致密化的c-c復(fù)合材料。可以選擇如下中的至少一種來提供這樣的致密化的c-c復(fù)合材料的一個或多個期望的性質(zhì)：在預(yù)制體內(nèi)的非一致的樹脂的成分、在預(yù)制體內(nèi)的不同的碳纖維的類型、或者在預(yù)制體內(nèi)的非一致的纖維取向。例如，相比由不具有非一致的樹脂的成分、不同的纖維的類型和/或不一致的纖維取向的碳纖維預(yù)制體形成的致密化的c-c復(fù)合材料，在預(yù)制體內(nèi)的非一致的樹脂的成分、在預(yù)制體內(nèi)的不同的碳纖維的類型、或者在預(yù)制體內(nèi)的非一致的纖維取向中的至少一種可以被構(gòu)造成實現(xiàn)如下中的至少一種：修改由碳纖維預(yù)制體形成的致密化的c-c復(fù)合材料的摩擦性質(zhì)、提高由碳纖維預(yù)制體形成的致密化的c-c復(fù)合材料的密度、或者提高由碳纖維預(yù)制體形成的致密化的c-c復(fù)合材料的強度。

在一個方面中，本公開涉及一種方法，所述方法包括經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭使樹脂和多個碳纖維沉積來形成包括多個單個的碳纖維層的碳纖維預(yù)制體，其中，所述多個單個的碳纖維層中的每個單個的層包括樹脂和碳纖維，并且其中，所述碳纖維預(yù)制體呈現(xiàn)出如下中的至少一種：在所述預(yù)制體內(nèi)的非一致的樹脂的成分、在所述預(yù)制體內(nèi)的不同的碳纖維的類型、或者在所述預(yù)制體內(nèi)的非一致的纖維取向。

在另一個方面中，本公開涉及一種碳纖維預(yù)制體，所述碳纖維預(yù)制體包括多個單個的碳纖維層，其中，所述多個單個的層中的每個單個的層包括樹脂和多個碳纖維，并且其中，所述碳纖維預(yù)制體呈現(xiàn)出如下的至少一種：在所述預(yù)制體內(nèi)的非一致的樹脂的成分、在所述預(yù)制體內(nèi)的不同的碳纖維的類型、或者在所述預(yù)制體內(nèi)的非一致的纖維取向。

在另一個方面中，本公開涉及一種系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括打印頭和控制器，所述打印頭被構(gòu)造成使樹脂和多個碳纖維沉積，所述控制器被構(gòu)造成控制所述樹脂和所述多個碳纖維的沉積以形成包括多個單個的碳纖維層的碳纖維預(yù)制體，其中，所述多個單個的碳纖維層中的每個單個的層包括樹脂和碳纖維，并且其中，所述碳纖維預(yù)制體呈現(xiàn)出如下中的至少一種：在所述預(yù)制體內(nèi)的非一致的樹脂的成分、在所述預(yù)制體內(nèi)的不同的碳纖維的類型、或者在所述預(yù)制體內(nèi)的非一致的纖維取向。

在附圖和下面的具體實施方式中將對一個或多個示例的細節(jié)進行闡明。從具體實施方式和附圖，以及從權(quán)利要求中將明白本公開的其它特征、目的和優(yōu)勢。

附圖說明

圖1是示意性結(jié)構(gòu)圖，示出了示例的飛行器制動組件。

圖2-4是概念圖，示出了依照本公開的方面的示例的碳纖維預(yù)制體。

圖5是示意圖，示出了示例的三維打印系統(tǒng)，該三維打印系統(tǒng)可以用于制造圖2-4的示例的預(yù)制體。

圖6是流程圖，示出了形成示例的碳纖維預(yù)制體以及由該碳纖維預(yù)制體形成致密化的碳-碳復(fù)合材料的示例的方法。

具體實施方式

本文對用于形成碳纖維預(yù)制體的示例的技術(shù)，連同碳纖維預(yù)制體、碳-碳復(fù)合材料以及由該碳纖維預(yù)制體形成的結(jié)構(gòu)（在本文中也被稱為“部件”）進行描述。例如在諸如制動盤的航空航天應(yīng)用中所使用致密化的c-c復(fù)合材料可以由已經(jīng)使用各種致密化技術(shù)進行致密化的碳纖維預(yù)制體形成。例如，碳纖維預(yù)制體可以通過層疊由編織或非編織碳纖維形成的織物片材來形成，該碳纖維預(yù)制體隨后可以通過如下方式致密化：使用真空壓力滲透（vpi）和/或樹脂傳遞模塑（rtm）來用液體瀝青滲透該預(yù)制體，然后對該瀝青進行碳化，以獲得呈現(xiàn)出期望的最終密度的c-c復(fù)合材料。附加地或替代地，cvi/cvd可以用于使纖維預(yù)制體或另一種碳預(yù)制體致密化。在飛行器制動襯墊的情況中，在一些示例中，碳化的預(yù)制體可以采用環(huán)形環(huán)的形式，不過在其它示例中也可以使用其它形狀。

依照本公開的一個或多個示例，碳纖維預(yù)制體可以包括多個單個的層，每個層由碳纖維和樹脂形成?？梢越?jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭使每個單個的層的樹脂和碳纖維沉積。使用該三維打印系統(tǒng)，各個層可以沿三個維度基于逐層的方式順序地形成以產(chǎn)生具有例如期望幾何結(jié)構(gòu)的預(yù)制體。打印頭的三維位置可以例如通過控制器得到自動的控制，該控制器在加工期間對控制臂進行控制以使得樹脂和碳纖維所沉積的位置和取向可以被精確地控制以便限定具有期望性質(zhì)（例如，具有期望幾何結(jié)構(gòu)）的多層碳纖維預(yù)制體。

如本文所描述的，可以控制沉積過程以使得得到的預(yù)制體呈現(xiàn)出以下中的至少一種（例如，以下中的一種、兩種或所有三種）：在預(yù)制體內(nèi)的非一致的樹脂的成分、在預(yù)制體內(nèi)的不同的碳纖維的類型、或者在預(yù)制體內(nèi)的非一致的纖維取向。例如，預(yù)制體的整個體積內(nèi)的樹脂成分可以例如根據(jù)碳纖維預(yù)制體的體積內(nèi)的位置來變化，而不是大體地保持一致。作為另一個示例，預(yù)制體的整個體積內(nèi)的纖維的類型（例如，聚丙烯腈（pan）纖維與瀝青纖維）可以例如根據(jù)碳纖維預(yù)制體的體積內(nèi)的位置來變化，而不是在整個預(yù)制體內(nèi)大體地保持一致。作為另一個示例，預(yù)制體的整個體積內(nèi)的碳纖維關(guān)于纖維縱向軸線的取向可以例如根據(jù)碳纖維預(yù)制體的體積內(nèi)的位置來變化，而不是在整個預(yù)制體內(nèi)大體地保持一致。

可以使用三維打印過程精確地控制預(yù)制體的整個體積內(nèi)的可變化的樹脂的成分、預(yù)制體的體積內(nèi)的可變化的碳纖維的類型和/或預(yù)制體的整個體積內(nèi)的可變化的纖維取向，以便影響由該預(yù)制體形成的致密化的碳-碳復(fù)合材料的一個或多個性質(zhì)。例如，可以選擇預(yù)制體的整個體積內(nèi)的可變化的樹脂的成分、預(yù)制體的體積內(nèi)的可變化的碳纖維的類型和/或預(yù)制體的整個體積內(nèi)的可變化的纖維取向，以實現(xiàn)如下中的至少一種：修改由碳纖維預(yù)制體形成的致密化的碳-碳復(fù)合材料的摩擦性質(zhì)、提高由碳纖維預(yù)制體形成的致密化的碳-碳復(fù)合材料的密度、或者提高由碳纖維預(yù)制體形成的致密化的碳-碳復(fù)合材料的強度。

附加地或替代地，可以選擇預(yù)制體的整個體積內(nèi)的可變化的樹脂的成分、預(yù)制體的體積內(nèi)的可變化的碳纖維的類型和/或預(yù)制體的整個體積內(nèi)的可變化的纖維取向來修改碳-碳材料的一部分或全部發(fā)生氧化（尤其是關(guān)于催化氧化）的傾向。例如，可以通過提高制動盤的非摩擦表面附近的密度和/或降低制動盤的非摩擦表面附近的孔隙度來實現(xiàn)減少碳-碳復(fù)合材料在非摩擦表面處發(fā)生氧化的傾向。在一些示例中，使用本文所描述的技術(shù)的一種或多種，致密化的c-c復(fù)合制動盤可以在該盤的中心處或該盤的中心附近呈現(xiàn)出相對低的密度（例如，近似1.7克每立方厘米（g/cc）或更低），但在更靠近致密化的復(fù)合盤的一個或多個表面（例如，非摩擦表面）處呈現(xiàn)出大體上更高的密度（例如，近似1.9g/cc或更高）和/或更低的孔隙度。

作為另一個示例，可以選擇預(yù)制體的整個體積內(nèi)的可變化的樹脂的成分、預(yù)制體的體積內(nèi)的可變化的碳纖維的類型和/或預(yù)制體的整個體積內(nèi)的可變化的纖維取向來提高c-c復(fù)合盤（或其它結(jié)構(gòu)）的摩擦表面附近的、沿大體上垂直于該摩擦表面的方向的導(dǎo)熱率以便允許更佳的離開該摩擦表面的熱量流動。

在每個例子中，通過經(jīng)由三維打印過程控制預(yù)制體的整個體積內(nèi)的樹脂的成分、碳纖維的類型和/或可變化的纖維取向，可以例如基于致密化的碳纖維預(yù)制體的具體應(yīng)用來調(diào)整由這樣的碳纖維預(yù)制體形成的致密化的碳-碳復(fù)合材料的性質(zhì)。在一些情況中，為了防止氧化，c-c復(fù)合盤在非摩擦表面處的密度相比具有相對低的孔隙度（例如，大體上封閉的孔隙）可具有較低的重要性。在摩擦表面處的密度是重要的，但為了使從摩擦表面向盤的中心的熱量傳遞達到期望的水平，可以減小c-c復(fù)合盤在摩擦表面處的密度，盤的中心可呈現(xiàn)出相對高的密度和熱容量。在一些示例中，可以采用示例的技術(shù)來獲得：在c-c復(fù)合盤的中心處或c-c復(fù)合盤的中心附近的高密度和/或高密度以便實現(xiàn)期望的熱量吸收；在c-c復(fù)合盤的摩擦表面處的期望的摩擦系數(shù)連同在摩擦表面處的高摩擦穩(wěn)定性和低磨損；以及呈現(xiàn)出相對高的抗氧化性的非摩擦表面，包括對催化氧化的抗性。

本公開的示例可以允許一個或多個優(yōu)勢。例如，在一些例子中，利用三維打印過程對預(yù)制體內(nèi)的樹脂成分、碳纖維的類型和/或纖維的取向進行的控制可以允許將預(yù)制體設(shè)計并且制造成例如在c-c復(fù)合結(jié)構(gòu)的不同部分具有優(yōu)選的性質(zhì)區(qū)分。例如，對于由預(yù)制體形成的碳-碳復(fù)合制動盤，相比該盤的中心處或該盤的中心附近、相比非摩擦表面，摩擦表面附近關(guān)于纖維縱向軸線的不同的纖維取向可以允許對遠離該摩擦表面的熱量傳遞以及對在該盤體積的主體內(nèi)的熱量吸收進行優(yōu)化。這可以通過沉積具有相對高的傳熱系數(shù)的纖維以使得該纖維的縱向軸線在摩擦表面附近沿垂直于摩擦表面的方向來取向而實現(xiàn)。所得到的碳-碳復(fù)合盤在凸起區(qū)域（lugarea）中的強度可以通過依照應(yīng)力分析軟件的結(jié)果對纖維進行排布來改善。非摩擦表面區(qū)域的表面附近的纖維可被布置成使得促進了導(dǎo)致高密度和低孔隙度（限制碳的氧化尤其是催化氧化的兩個參數(shù)）的致密化過程。

圖1是示出了示例的組件10的概念圖，組件10可以包括一個或多個依照本公開的技術(shù)形成的c-c復(fù)合材料部件。為了便于描述，將主要地關(guān)于c-c復(fù)合材料所形成的飛行器制動盤來描述本公開的示例。然而，本公開的c-c復(fù)合材料和碳纖維預(yù)制體可以用于形成除了飛行器制動盤之外的部件。例如，c-c復(fù)合材料可以用作在其它類型的制動應(yīng)用中的摩擦材料，也可以用在航空航天工業(yè)中的或其它工業(yè)中的其它應(yīng)用中，例如熱交換器和熱屏障。

在圖1的示例中，飛行器制動組件10包括輪12、致動器組件14、制動棧16和軸18。輪12包括輪轂20、輪懸臂支架凸緣22、胎圈密封部24a和24b、長平頭螺栓（lugbolt）26以及凸耳螺母（lugnut）28。致動器組件14包括致動器殼體30、致動器殼體螺栓32和撞錘34。制動棧16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38；轉(zhuǎn)子盤36被構(gòu)造成相對于定子盤38移動。轉(zhuǎn)子盤36安裝到輪12，并且具體地由梁鍵（beamkey）40安裝到輪轂20。定子盤38安裝到軸18，并且具體地由花鍵44安裝到轉(zhuǎn)矩管42。輪組件10可以支撐任何種類的私人、商用或軍用飛行器。

輪組件10包括輪18，該輪18在圖1的示例中由輪轂20和輪懸臂支架凸緣22來限定。輪懸臂支架凸緣22由長平頭螺栓26和凸耳螺母28機械地固定到輪轂20。輪12限定了胎圈密封部24a和24b。在組裝期間，可充氣的輪胎（未示出）可以置于輪轂20上并且由輪懸臂支架凸緣22固定在相對側(cè)上。此后，凸耳螺母28可被擰緊在長平頭螺栓26上，并且可充氣的輪胎可被充氣，胎圈密封部24a和24b為可充氣的輪胎提供了氣密的密封。

輪組件10可以經(jīng)由轉(zhuǎn)矩管42和軸18安裝到飛行器。在圖1的示例中，轉(zhuǎn)矩管42由多個螺栓46固定到軸18。轉(zhuǎn)矩管42支撐致動器組件14和定子38。軸18可以安裝在起落架（未示出）的撐桿上以便將輪組件10連接到飛行器。

在飛行器的運行期間，可能時常需要進行制動，例如在降落和滑行期間。輪組件10被構(gòu)造成經(jīng)由致動器組件14和制動棧16向飛行器提供制動作用。致動器組件14包括致動器殼體30和撞錘34。致動器組件14可以包括不同類型的致動器，例如以下中的一種或多種：電子-機械致動器、液壓致動器、氣動致動器，等等。在運行期間，撞錘34可以延伸離開致動器殼體30以軸向地擠壓制動棧16使其抵靠壓縮點48來進行制動。

制動棧16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38。轉(zhuǎn)子盤36由梁鍵40安裝到輪轂20以便共同旋轉(zhuǎn)。定子盤38由花鍵44安裝到轉(zhuǎn)矩管42。在圖1的示例中，制動棧16包括四個轉(zhuǎn)子和五個定子。然而，在其它示例中，在制動棧16中可以包括不同數(shù)量的轉(zhuǎn)子和/或定子。進一步，轉(zhuǎn)子和定子的相對位置可以顛倒過來，例如使得轉(zhuǎn)子盤36安裝到轉(zhuǎn)矩管42并且定子盤38安裝到輪轂20。

轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以提供用于制動飛行器的相對的摩擦表面。隨著移動中的飛行器的動能轉(zhuǎn)變成為制動棧16中的熱能，在制動棧16中溫度會迅速地提高，例如超過200攝氏度。對于一些飛行器，緊急制動（例如中斷起飛）可以導(dǎo)致超過500攝氏度的溫度，并且在一些情況中，甚至超過800攝氏度。如此，形成制動棧16的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可包括能夠在這樣的溫度中運轉(zhuǎn)的堅固耐用的、熱穩(wěn)定的材料。

在一個示例中，轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38由根據(jù)一個或多個本公開的示例技術(shù)（例如關(guān)于圖6所描述的技術(shù)）所制造的c-c復(fù)合材料形成。具體地，轉(zhuǎn)子盤36中的至少一個和/或定子盤38中的至少一個可以由致密化的c-c材料形成，該致密化的c-c材料由碳纖維預(yù)制體制成，該碳纖維預(yù)制體經(jīng)由本公開的示例技術(shù)中的一個或多個形成。轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以由相同的材料或不同的材料形成。例如，輪組件10可以包括金屬轉(zhuǎn)子盤36和c-c復(fù)合定子盤38，或者反過來。進一步，轉(zhuǎn)子盤36中的每個盤和/或定子盤38中的每個盤可以由相同的材料形成，或者定子盤38和/或轉(zhuǎn)子盤36中的至少一個盤可以由與定子盤38和/或轉(zhuǎn)子盤36中的至少一個其它的盤相比不同的材料形成。

如簡要提到的，在一些示例中，轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以分別被梁鍵40和花鍵44安裝在輪組件10中。在一些示例中，梁鍵40可以繞輪轂20的內(nèi)部分周向地間隔。梁鍵40可以例如成型成具有相對的端部（例如，矩形的相對側(cè)）并且可以使一個端部機械地固定到輪轂20的內(nèi)部分并且使相對的端部機械地固定到輪轂20的外部分。梁鍵40可以與輪轂20一體成型或者可以與輪轂20是分開的并且機械地固定到輪轂20，以便例如在轉(zhuǎn)子盤36和輪轂20之間提供熱障。為了該目的，在不同的示例中，輪組件10可以包括熱屏障（未示出），該熱屏障徑向地且向外地延伸出來包圍制動棧16，以便例如限制在制動棧16和輪12之間的熱傳遞。

在一些示例中，花鍵44可以繞轉(zhuǎn)矩管42的外部分周向地間隔?；ㄦI44可以例如與轉(zhuǎn)矩管42一體成型或者可以與轉(zhuǎn)矩管42是分開的并且機械地固定到轉(zhuǎn)矩管42。在一些示例中，花鍵44可以在轉(zhuǎn)矩管42中限定側(cè)向的槽。如此，定子盤38可以包括多個徑向向內(nèi)設(shè)置的凹口，該凹口被構(gòu)造成被插入到花鍵中。

因為梁鍵40和花鍵44可以分別與轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38熱接觸，梁鍵40和/或花鍵33可以由熱穩(wěn)定材料制成，該熱穩(wěn)定材料包括例如上面關(guān)于轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38所討論的那些材料。相應(yīng)地，在一些示例中，本公開的示例的技術(shù)可以用于形成用于輪組件10的梁鍵和/或花鍵。

圖1所示的示例的組件10僅僅是一個示例。在其它示例中，組件10和組件10的部件（例如輪10、致動器組件14、制動棧16和軸18）可以具有另一種適合的構(gòu)造。此外，在其它示例中，本文所描述的從示例的碳纖維預(yù)制體得到的c-c復(fù)合材料可以用于形成除了盤36、38、鍵40和花鍵44中的一個或多個以外或者替代盤36、38、鍵40和花鍵44中的一個或多個的其它結(jié)構(gòu)。

圖2是示出了依照本公開的方面的示例碳纖維預(yù)制體50的概念圖。如所示，預(yù)制體50是具有內(nèi)直徑（id）、外直徑（od）和沿z軸方向（為了便于描述，圖2中示出了正交的x-y-z軸）的厚度（t）的環(huán)形環(huán)。碳纖維預(yù)制體50由基體52限定，并且包括多個單個的層（沒有在圖2中示出），該多個單個的層近似地沿x-y平面延伸且包括碳纖維和樹脂?？梢越?jīng)由三維打印設(shè)備的打印頭來使碳纖維和樹脂沉積。在一些示例中，預(yù)制體可以具有大約4英寸（大約10.16cm）到大約18英寸（大約45.72cm）的內(nèi)直徑（id）、大約10英寸（大約25.4cm）到大約30英寸（大約76.2cm）的外直徑（od）以及大約0.5英寸（大約1.27cm）到大約2.5英寸（大約6.35cm）的厚度（t）?？蓸?gòu)想出其它范圍和幾何結(jié)構(gòu)。

圖3是示意圖，示出了沿圖2所示的截面a-a截取的預(yù)制體50。如所示，預(yù)制體50包括多個單個的層54x1、54x2、54x3、54x4、…和54xn，其中，n是沿z軸方向的單個的層的總數(shù)。這些層將共同地被稱為層54。總體上，這些單個的層限定了預(yù)制體50沿z軸方向的厚度t。每個單個的層54由多個碳纖維53和樹脂55形成。單個的層54的厚度可以取決于用于給定應(yīng)用的復(fù)合材料的設(shè)計意圖。在一些示例中，單個的層的厚度可以在近似25密耳（近似0.635毫米（mm））和近似125密耳（近似3.175毫米（mm））之間，不過可構(gòu)想出其它的厚度。在一些示例中，預(yù)制體50的總厚度t可以在近似0.5英寸（近似1.27厘米（cm））到近似2.5英寸（近似6.35cm）之間，不過可構(gòu)想出其它的厚度。

圖4是示意圖，示出了預(yù)制體50的層54x4沿x方向的截面，其代表了預(yù)制體50的各個單個的層54中的每個的構(gòu)造。如所示，層54x4包括沿x軸方向并排排列的多個單個的行56x1、56x2、56x3、56x4、…和54xy，其中，y為沿x軸方向的單個的行的總數(shù)。此外，每個單個的行56包括由三維打印系統(tǒng)的打印頭所沉積的多個碳纖維53和樹脂55。行56相結(jié)合以沿x-y平面形成層54x4，層54x4也包括沿z軸方向的厚度。

行56可以以任何適合的構(gòu)造來沉積以便沿x-y平面形成層54x4。例如，行56可以是以網(wǎng)格圖案形成的線性的行、例如從預(yù)制體50的id到od的同心圓或者例如從預(yù)制體50的id到od的盤繞圖案，該盤繞圖案相比同心圓的圖案可以允許樹脂55和碳纖維53的連續(xù)沉積。各個行56可以每個具有任何適合的寬度和截面形狀，這兩者可以取決于三維（3d）打印頭的設(shè)計并且可以基于由預(yù)制體形成的復(fù)合材料的設(shè)計意圖來進行選擇。在一些示例中，各個行56可以具有大體上圓形的、橢圓的、矩形的、三角形的或其它適合形狀的截面（該截面沿x-y平面截?。┎⑶铱梢跃哂薪?/16英寸（近似7.9375毫米（mm））到近似1/8英寸（近似3.175mm）的寬度。在一些示例中，每個層54的行56可以在至少一個維度中是一致的，而在其它示例中，至少兩個行56可以具有與彼此不同的構(gòu)造（例如沿x軸方向測量的不同的寬度）。

預(yù)制體50可以包括多個碳纖維53。可以使用任何適合的類型的碳纖維，例如pan纖維、瀝青纖維、氧化的pan、從pan衍生的碳纖維、從瀝青衍生的碳纖維、人造纖維等。碳纖維可以在制成的復(fù)合材料中提供結(jié)構(gòu)強度。碳纖維可以每個為單一絲狀體或為碳纖維束（fibertow）。在一些示例中，纖維或纖維束的長度可從大約0.1英寸（大約2.54毫米）變化成大體上連續(xù)的（例如連續(xù)的）。此外，在一些示例中，每個碳絲狀物的直徑可以小于或等于例如大約20微米。在一些示例中，預(yù)制體50內(nèi)的纖維的長度可以沿預(yù)制體的厚度t而變化。例如，預(yù)制體50的外表面附近的纖維可以每個具有近似0.25英寸（近似6.35mm）的長度，而預(yù)制體50的幾何中心附近的纖維可以具有近似3英寸（近似7.62cm）或更短的長度。

預(yù)制體50還包括樹脂55?？梢允褂糜糜谛纬深A(yù)制體50的任何適合的樹脂。例如，樹脂可以是可碳化的樹脂或瀝青（例如各向同性瀝青和/或中間相瀝青）以使得在碳化過程期間從樹脂形成碳。示例的樹脂類型包括但不限于合成的煤焦油、石油、各向同性的和中間相的瀝青、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂或其它碳產(chǎn)出樹脂（carbonyieldingresin）。

在一些示例中，樹脂可以包括瀝青。瀝青可以是富烴材料，其可以從例如煤焦油和石油中提取。在一些示例中，瀝青還可以被合成制造。在不同的示例中，瀝青可以來自單一來源（例如煤）或可以是來自不同來源的不同瀝青的組合。在一些示例中，瀝青可以是中間相瀝青。在其它示例中，瀝青可以是各向同性的瀝青。還可構(gòu)想出中間相的和各向同性的瀝青的組合。

在一些示例中，瀝青55可以包括一種或多種添加材料。示例的添加物可以包括碳化硅粉末、炭黑、石墨粉、氧化鈦、二氧化硅粉末（隨后將經(jīng)過合適的熱處理轉(zhuǎn)變成碳化硅）以及類似的材料。

如本文所描述，可以經(jīng)由三維打印過程使層54的樹脂55和碳纖維53沉積以使得碳纖維預(yù)制體50呈現(xiàn)出如下中的至少一種：在其體積內(nèi)的非一致的樹脂的成分、在其體積內(nèi)的不同的碳纖維的類型、或者在其體積內(nèi)的非一致的纖維取向。例如，樹脂成分、碳纖維的類型和/或纖維取向可以關(guān)于預(yù)制體50內(nèi)的各個層54基于逐層的方式而不同。附加地或替代地，樹脂成分、碳纖維的類型和/或纖維取向在預(yù)制體50的單一個體的層54內(nèi)可以不同。

可以基于具體的位置來選擇預(yù)制體50的體積內(nèi)的具體位置處的具體的樹脂成分、纖維類型和/或纖維取向。例如，沿z軸方向更靠近預(yù)制體50的中心處的樹脂成分、纖維類型和/或纖維取向可以不同于沿z軸方向更靠近預(yù)制體50的頂部或底部表面處的樹脂成分、纖維類型和/或纖維取向。在一些示例中，可以選擇沿z軸方向更靠近預(yù)制體50的中心處的樹脂成分、纖維類型和/或纖維取向來在由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合物中提供相對高的密度和熱容量，而靠近預(yù)制體50的摩擦表面處的樹脂成分、纖維類型和/或纖維取向可以在由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合物中提供較低密度的材料，該較低密度的材料提供了在摩擦和磨損性能之間的期望的平衡。作為另一個示例，可以選擇預(yù)制體50在外周界（或od）表面區(qū)域和內(nèi)周界（或id）區(qū)域（例如凸起區(qū)域）附近的部分中的樹脂成分、纖維類型和/或纖維取向，以便相比致密化的c-c復(fù)合物的其它部分提高在致密化的c-c復(fù)合材料中的那些部分的強度。

在一些示例中，樹脂55可以在成分方面從預(yù)制體50的一個部分到預(yù)制體50的另一個部分發(fā)生變化以使得樹脂在預(yù)制體50內(nèi)是非一致的而不是在整個預(yù)制體50內(nèi)是大體上一致的。例如，單個層54x1中的預(yù)制體所具有的成分可以不同于單個層54x4中的預(yù)制體55的成分。替代地或附加地，單個層54x1的一個部分內(nèi)的樹脂55相比單個層54x1的另一個部分內(nèi)的樹脂55可以具有不同的成分。樹脂成分就所使用的樹脂的具體類型（例如瀝青相比酚醛樹脂）而言可以不同。例如，單個層54x1中的樹脂55可以是瀝青，而單個層54x4中的樹脂55可以是酚醛樹脂。

當(dāng)樹脂55包括多種樹脂類型的混合物和/或樹脂與一種或多種添加物的混合物時，樹脂成分還可以就成分內(nèi)的組分的濃度而言不同。例如，單個層54x1中的樹脂55可以是80%重量百分比（wt%）的瀝青與20wt%的酚醛樹脂的混合物，而單個層54x4中的樹脂55可以是5wt%的瀝青與95wt%的酚醛樹脂的混合物。作為另一個示例，單個層54x1中的樹脂55可以是80wt%的瀝青與20wt%的添加物的混合物，而單個層54x4中的樹脂55可以是95wt%的瀝青與5wt%的添加物的混合物。

可以調(diào)整預(yù)制體50內(nèi)的非一致的樹脂55的成分以使得由預(yù)制體50形成的c-c復(fù)合材料可以呈現(xiàn)出一個或多個期望的性質(zhì)。例如，相比由具有大體上一致的成分的預(yù)制體50會呈現(xiàn)出的性質(zhì)，預(yù)制體50內(nèi)的非一致的樹脂55的成分可以導(dǎo)致通過對預(yù)制體50進行碳化和致密化（例如，經(jīng)由cvi/cvd）而形成的c-c復(fù)合材料的一個或多個性質(zhì)的修改。

作為一個示例，可以選擇并控制預(yù)制體50內(nèi)的非一致的樹脂55的成分以便對由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合物內(nèi)的一個或多個位置處的密度相比該致密化的c-c復(fù)合材料內(nèi)的其它位置的密度進行提高。例如，可以選擇沿z軸方向在預(yù)制體50的幾何中心附近或在預(yù)制體50的幾何中心處的預(yù)制體50的層54中的樹脂55的成分，以便在預(yù)制體50已經(jīng)被碳化并且致密化從而形成致密化的c-c盤之后在該位置處相比更靠近預(yù)制體50的頂部和底部表面的層提供相對高密度的材料（例如大于大約1.85g/cc）。作為一個示例，諸如中間相瀝青的具有相對高的碳產(chǎn)出的樹脂成分可以被沉積在更靠近幾何中心的預(yù)制體50的層中，以便例如相比沉積在c-c復(fù)合盤的一個或多個其它部分處的具有相對低的碳產(chǎn)出的樹脂成分，在由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合盤的對應(yīng)位置中提供高的密度。在一些示例中，高碳產(chǎn)出樹脂可以產(chǎn)出大約80%到90%的碳，并且/或者低碳產(chǎn)出樹脂可以產(chǎn)出小于大約50%的碳。

在這種方式中，c-c復(fù)合盤可以形成為具有在整個體積內(nèi)的經(jīng)調(diào)整的密度。例如，相比從相對于更靠近外表面的那些部分提供了較低密度的中心部分的預(yù)制體制造c-c復(fù)合盤的其它制造技術(shù)，在預(yù)制體的中心部分處沉積的高碳產(chǎn)出樹脂成分可以允許在由預(yù)制體形成的整個c-c復(fù)合盤內(nèi)的大體上一致的密度。在一些示例中，示例的c-c復(fù)合盤的密度可以在盤的整個體積內(nèi)以小于近似2個百分點進行變化。在一些示例中，由預(yù)制體50形成的c-c復(fù)合材料的中心部分中的比熱容可以大于或等于近似0.72千焦/千克開爾文（kj/kgk）。

還可以控制預(yù)制體50內(nèi)的非一致的樹脂55的成分，以便例如相比更靠近中心的部分來修改由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合材料在對應(yīng)于沿z軸方向的預(yù)制體50的頂部和底部表面處或附近的各個層54的那些部分中的一個或多個摩擦性質(zhì)。至于預(yù)制體50，沿z軸方向的頂部和底部表面可以對應(yīng)于由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合材料的摩擦表面區(qū)域。摩擦表面區(qū)域（也被稱為工作表面區(qū)域）通常對應(yīng)于制動盤或其它摩擦部件的表面部分，不同于非摩擦表面區(qū)域，摩擦表面區(qū)域在制動操作期間與相對的制動盤或其它相對的摩擦部件摩擦性地接合。至于由預(yù)制體50形成的c-c復(fù)合制動盤，摩擦表面區(qū)域可以對應(yīng)于環(huán)形環(huán)的外面，并且非摩擦表面區(qū)域54可以對應(yīng)于外周界（或od）表面區(qū)域和內(nèi)周界（或id）區(qū)域（例如凸起區(qū)域）。

在一些示例中，可以選擇預(yù)制體50的對應(yīng)于由預(yù)制體50所形成的c-c復(fù)合物的摩擦表面區(qū)域的那些部分處或附近的層中的樹脂55的成分以便平衡c-c復(fù)合結(jié)構(gòu)的摩擦和磨損性能。至于制動盤，除了相對低的并且一致的磨損率之外，c-c復(fù)合物的摩擦表面區(qū)域的期望的性質(zhì)還可以包括呈現(xiàn)在該表面處的優(yōu)選的摩擦系數(shù)（例如從大約0.1到大約0.3），但更重要地是摩擦的穩(wěn)定性，即力矩曲線（作為制動器轉(zhuǎn)動速度的函數(shù)而繪出的力矩）的穩(wěn)定性。對于c-c復(fù)合制動盤，可能希望在從開始制動應(yīng)用到飛行器或其它運輸工具完全停止的每次制動接合期間維持穩(wěn)定性，并且可能希望在制動接合的整個范圍內(nèi)關(guān)于速度、能量、溫度、環(huán)境條件等維持制動應(yīng)用的穩(wěn)定性。

在一些示例中，在這樣的部分中的樹脂55的成分可以例如通過提高整個摩擦表面的磨損率的一致性來提高該摩擦表面的一致性。在一些示例中，特定的樹脂成分可以導(dǎo)致摩擦表面的磨損率更少地取決于溫度。例如，由預(yù)制體50形成的c-c復(fù)合材料在低操作溫度與高操作溫度下的摩擦表面的磨損率之間的差異可以小于由如下的預(yù)制體形成的c-c復(fù)合材料，該預(yù)制體使用該樹脂成分，該樹脂成分被用在更靠近預(yù)制體55的中心的那些部分中以提供相對高的密度和/或熱容量。

在一個示例中，預(yù)制體50的對應(yīng)于由預(yù)制體50所形成的c-c復(fù)合物的摩擦表面區(qū)域的那些部分處或附近的層中的樹脂55的成分可以是酚醛樹脂和瀝青的混合物。在一些示例中，可以選擇在所得到的致密化的c-c復(fù)合材料中提供了中間相結(jié)構(gòu)的瀝青。該瀝青通常可以提供所得到的致密化的c-c復(fù)合材料的高密度、較低的磨損和高摩擦性能。例如相比瀝青，酚醛樹脂可以提供在所得到的致密化的c-c復(fù)合材料中主要是各向同性的碳并且可以提供期望的磨損性能而不是摩擦性能。

可以選擇該混合物中的每種樹脂的具體的量以便在摩擦表面區(qū)域處提供摩擦和磨損性能之間的平衡。在一些示例中，預(yù)制體50的對應(yīng)于由預(yù)制體50所形成的c-c復(fù)合物的摩擦表面區(qū)域的那些部分處或附近的層中的樹脂55的成分可以包括近似10wt%到近似100wt%的中間相瀝青（例如近似70wt%到近似90wt%的中間相瀝青）以及近似0wt%到近似90wt%的酚醛樹脂（例如近似10wt%到近似30wt%的酚醛樹脂）。在一些示例中，可以在樹脂成分中使用環(huán)氧樹脂來代替酚醛樹脂或者除了酚醛樹脂之外也使用環(huán)氧樹脂。

在一些示例中，可以使用各向同性的瀝青來代替中間相的瀝青或作為中間相的瀝青的替代物。通常地，中間相瀝青可以被碳化以生成石墨化碳，而酚醛樹脂生成各向同性的碳?？梢孕薷倪@兩種樹脂類型之間的比率以實現(xiàn)期望的摩擦和磨損性能。來自中間相樹脂的石墨碳在高能量條件下將趨于提高磨損并且提高摩擦，而來自酚醛樹脂的各向同性的碳將趨于減小摩擦并且減小磨損率。

除了預(yù)制體50內(nèi)的非一致的樹脂成分之外或作為其替代，碳纖維53的纖維類型和/或纖維取向可以從預(yù)制體50的一個部分到預(yù)制體50的另一個部分發(fā)生變化，以使得纖維類型和/或纖維取向在預(yù)制體50內(nèi)是非一致的而不是在整個預(yù)制體50內(nèi)是大體上一致的。例如，單個的層54x1中的纖維53的類型可以不同于單個的層54x4中的纖維53的類型。纖維類型可以就纖維的成分（例如瀝青纖維與pan纖維）而言不同。例如，單個的層54x1中的纖維53可以是pan纖維，而單個的層54x4中的纖維53可以是瀝青纖維。

不同的纖維類型還可以包括兩種或更多種纖維類型的混合物，在該混合物中各個纖維類型以不同的量存在。例如，單個的層54x1中的纖維53可以是80%重量百分比（wt%）的瀝青纖維和20wt%的pan纖維的混合物，而單個的層54x4中的纖維53可以是5%wt%的瀝青纖維和95wt%的pan纖維的混合物。替代地或附加地，單個的層54x1的一個部分內(nèi)的纖維53相比單個的層54x1的另一個部分內(nèi)的另一纖維53可以是不同的類型。

作為另一個示例，單個的層54x1中的纖維53的取向可以不同于單個的層54x4中的纖維53的取向。可以關(guān)于在圖2-4中就預(yù)制體50示出的x-y-z軸來表示纖維53的取向。例如，單個的層54x1中的大體上所有的纖維53的縱向軸線可以大體上沿預(yù)制體50的x-y平面延伸，而單個的層54x4中的纖維53的縱向軸可以呈現(xiàn)出更大程度的z軸方向的取向，例如其中，單個的層中的一些纖維或大體上所有的纖維可以沉積成使得纖維的縱向軸線大體上沿著（例如沿著或幾乎沿著）碳纖維的縱向軸線延伸到x-y平面外并且延伸到z軸方向中。替代地或附加地，單個的層54x1的一個部分內(nèi)的纖維53相比單個的層54x1的另一個部分內(nèi)的纖維取向可以具有不同的取向。

可以調(diào)整預(yù)制體50內(nèi)的不同的纖維53的類型和/或非一致的纖維53的取向以使得由預(yù)制體50形成的c-c復(fù)合材料可以呈現(xiàn)出一個或多個期望的性質(zhì)。例如，相比具有大體上相同的纖維53的類型和/或大體上一致的纖維53的取向的預(yù)制體50會呈現(xiàn)出的性質(zhì)，預(yù)制體50內(nèi)的不同的纖維53的類型和/或非一致的纖維53的取向可以導(dǎo)致通過對預(yù)制體50進行碳化和致密化（例如，經(jīng)由cvi/cvd）而形成的c-c復(fù)合材料的一個或多個性質(zhì)得到修改。

作為一個示例，可以控制預(yù)制體50內(nèi)的不同的纖維53的類型和/或非一致的纖維53的取向以便對由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合物內(nèi)的一個或多個位置處的密度相比該致密化的c-c復(fù)合材料內(nèi)的其它位置的密度進行提高。例如，相比更靠近預(yù)制體50的頂部和底部表面的層54中的纖維的類型，沿z軸方向在預(yù)制體50的幾何中心處或附近的預(yù)制體50的層54中的纖維53的類型可以呈現(xiàn)出相對高的密度，例如瀝青纖維。高密度纖維的示例可以是由中間相瀝青制造的碳纖維，其可以呈現(xiàn)出例如近似1.9g/cc到近似2.18g/cc的密度。

替代地或附加地，相比更靠近預(yù)制體50的頂部和底部表面的層54中的纖維53的纖維體積分數(shù)，沿z軸方向在預(yù)制體50的幾何中心處或附近的預(yù)制體50的層54中的纖維53的取向可以提供相對高的纖維體積分數(shù)（例如近似30%到近似50%）。在這樣的情況中，在預(yù)制體50已經(jīng)被碳化并且致密化從而形成致密化的c-c復(fù)合物之后，致密化的c-c復(fù)合物相比更靠近頂部和底部表面的部分的密度可以在更靠近中心的部分處呈現(xiàn)出相對高的密度。例如，致密化的c-c復(fù)合物可以在中心處或附近呈現(xiàn)出近似1.9g/cc或更大的密度并且可以在更靠近頂部和底部表面的部分處呈現(xiàn)出近似1.85g/cc或更小的密度。

作為另一個示例，可以控制預(yù)制體50內(nèi)的不同的纖維53的類型和/或非一致的纖維53的取向，以便例如相比更靠近中心的部分來修改由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合材料在對應(yīng)于沿z軸方向的預(yù)制體50的頂部和底部表面處或附近的各個層54的那些部分中的一個或多個摩擦性質(zhì)。如上面所描述的，至于預(yù)制體50，沿z軸方向的頂部和底部表面可以對應(yīng)于由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合材料的摩擦表面區(qū)域，并且非摩擦表面區(qū)域可以對應(yīng)于預(yù)制體50的外周界（或od）表面區(qū)域和內(nèi)周界（或id）區(qū)域，例如凸起區(qū)域。

在一些示例中，可以選擇預(yù)制體50的對應(yīng)于由預(yù)制體50所形成的c-c復(fù)合物的摩擦表面區(qū)域的那些部分處或附近的層中的纖維53的取向和/或類型以便平衡摩擦和磨損性能。例如，這樣的部分中的纖維53可以取向成使得纖維的縱向軸線大體上沿預(yù)制體50的x-y平面延伸。至于制動盤，例如，具有沿x-y取向的縱向軸線的纖維53，尤其是具有與使用中的制動盤的相對運動方向正切的縱向軸線的纖維53，將降低磨損率。相反，跨越預(yù)制體50的摩擦表面和中心之間的部分的纖維53可以取向成以便提高沿預(yù)制體50的z軸方向延伸的纖維的比例，以便例如促進從摩擦表面到預(yù)制體50的中心部分的熱傳導(dǎo)。

附加地或替代地，預(yù)制體50的對應(yīng)于由預(yù)制體50所形成的c-c復(fù)合物的摩擦表面區(qū)域的那些部分處或附近的層中的纖維53可以是pan纖維，而相比之下，更靠近預(yù)制體50的中心的纖維53可以是中間相瀝青纖維。中間相瀝青纖維在熱處理后相比各向同性的pan纖維可以具有更大的熱導(dǎo)率，從而在預(yù)制體50的中心部分中相比更靠近摩擦表面的部分提供了更高的熱導(dǎo)率。pan纖維相比瀝青纖維可以有更少的取向性，從而是更加各向同性的。而且，pan纖維相比瀝青纖維具有更高的強度，并且因此它們是更加耐磨損的。

作為另一個示例，可以控制預(yù)制體50內(nèi)的不同的纖維53的類型和/或非一致的纖維53的取向以便提高由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合材料的選定部分的強度。例如，對應(yīng)于由預(yù)制體50形成的c-c復(fù)合制動盤的凸起區(qū)域（例如在制動盤的id和/或od處）的預(yù)制體50的那些部分可以經(jīng)由那些區(qū)域中的纖維53的類型和/或取向而被加強，以便有助于在作為c-c制動盤的操作期間承受施加到那些部分的相對大的力。在一些示例中，在對應(yīng)于這樣的凸起區(qū)域的預(yù)制體50的那些部分處，纖維53的縱向軸線可以大體上均勻地在預(yù)制體50的x-y平面和預(yù)制體50的z-方向之間取向，相比之下，在摩擦表面處或附近的部分中的那些纖維53可以大體上全部地沿大體上預(yù)制體50的x-y平面取向，或者更靠近預(yù)制體50的中心部分的纖維50可以取向成使得該纖維的縱向軸線大體上沿預(yù)制體50的z軸方向延伸。在這種方式中，由預(yù)制體50形成的致密化的c-c復(fù)合制動盤的凸起區(qū)域相比在摩擦表面處或附近的部分或更靠近復(fù)合物的中心的那些部分可以呈現(xiàn)出提高的強度。在一些情況中，pan纖維由于該纖維的相對高的強度在凸起區(qū)域中可以是優(yōu)選的。

可以采用任何合適的系統(tǒng)和技術(shù)來經(jīng)由3d打印系統(tǒng)的打印頭使樹脂55和/或碳纖維53沉積以產(chǎn)生所描述的預(yù)制體50的示例和由其形成的致密化的c-c復(fù)合材料。下面進一步描述了可以采用的系統(tǒng)和技術(shù)的示例。然而，可構(gòu)想出其他示例和系統(tǒng)。在一些示例中，可以采用各自均在2015年5月13日提交的美國專利申請序列號14/711,550、14/711,508、14/711,590中所描述的用于形成碳纖維預(yù)制體和致密化的c-c復(fù)合材料（例如c-c復(fù)合制動盤）的3d打印系統(tǒng)和技術(shù)中的一個或多個來形成本文所描述的一個或多個示例的預(yù)制體和c-c復(fù)合材料。這些申請中的每個的全部內(nèi)容通過引用合并到本文中。

在一些示例中，可以經(jīng)由打印頭使樹脂55和碳纖維53以熔化的狀態(tài)（熔化的復(fù)合材料）沉積（例如，沉積在已有的碳纖維的層上和/或使碳纖維與樹脂和添加物粉末一起沉積），樹脂55和碳纖維53隨后可以固化以形成相應(yīng)的層54（或例如以行的形式形成層的一部分），接著另外的樹脂55和碳纖維53在該相應(yīng)的層上進行沉積以便形成包括碳纖維和復(fù)合混合物的另外的層。在其它示例中，可以經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭通過使每個均涂覆有樹脂55的多個單個的碳纖維53沉積來形成碳纖維預(yù)制體50的各個層54。在一些示例中，三維打印系統(tǒng)可以采用擠出工藝來將樹脂53涂覆于大體上連續(xù)的（例如連續(xù)的或幾乎連續(xù)的）碳纖維絲，并且隨后將該經(jīng)涂覆的絲切割成涂覆有樹脂55的單個的碳纖維53。在每種情況中，可以控制該三維打印沉積過程以使得預(yù)制體50在預(yù)制體50的體積內(nèi)呈現(xiàn)出如本文所描述的如下中的至少一種：非一致的樹脂成分、不同的纖維類型或非一致的纖維取向。

經(jīng)由任一過程所產(chǎn)生的碳纖維預(yù)制體可以隨后被碳化和致密化以產(chǎn)生致密化的碳-碳復(fù)合材料，例如碳制動盤。在一些示例中，在3d打印過程期間，碳纖維53和樹脂55的各個層54可以例如基于逐層的形式形成并進行致密化，而不是形成碳纖維53和樹脂55的所有層接著對這些層整體進行致密化。

圖5是示意圖，示出了示例的三維打印系統(tǒng)60，該三維打印系統(tǒng)60可以例如用于經(jīng)由增材制造過程形成預(yù)制體50?？梢允褂脴?gòu)造成利用3d打印或其它增材制造技術(shù)來使樹脂55和/或纖維53沉積而形成預(yù)制體50的任何適合的系統(tǒng)。為了便于描述，按照擠出沉積系統(tǒng)來描述系統(tǒng)60。然而，可構(gòu)想出用于形成預(yù)制體50的其它系統(tǒng)。

如所示，系統(tǒng)60包括第一樹脂供給裝置62和第二樹脂供給裝置63，第一樹脂供給裝置62被構(gòu)造成將第一樹脂供給到擠出裝置64，第二樹脂供給裝置63被構(gòu)造成將第二樹脂供給到擠出裝置64，第二樹脂具有不同于第一樹脂的成分。第一和第二樹脂成分可以是預(yù)制的顆粒狀物的形式或者是預(yù)制的樹脂成分的盤繞環(huán)的形式。擠出裝置64可以被構(gòu)造成將每個樹脂成分加熱到使該樹脂熔化（例如成為液體狀態(tài)或者以其它方式使復(fù)合混合物55軟化）的溫度，在該溫度下樹脂熔化成使得允許被加熱的材料流動到由可移動打印頭68限定的一個或多個出口之外。在一些示例中，僅第一樹脂供給裝置62將樹脂55供應(yīng)給擠出裝置64以便進行沉積，僅第二樹脂供給裝置63將樹脂55供應(yīng)給擠出裝置64以便進行沉積，或者第一樹脂供給裝置62和第二樹脂供給裝置63兩者同時均將樹脂供應(yīng)到擠出裝置64，或者對于給定的層54（圖2）允許對第一和第二樹脂的混合物進行沉積。以這種方式，使用系統(tǒng)60所形成的預(yù)制體50可以在整個預(yù)制體50內(nèi)呈現(xiàn)出非一致的樹脂成分。

流動到打印頭68外的材料可以沉積在工作表面66上，例如要么直接地要么非直接地沉積在先前已沉積的樹脂55和纖維53的一個或多個層上?？梢栽试S所沉積的材料進行冷卻以形成樹脂和/或纖維的固體的層，并且可以通過在工作表面66上方沿三個維度調(diào)整打印頭68的位置來重復(fù)該過程，該工作表面66在整個三維打印過程中支撐所沉積的層。在該打印過程期間，可以經(jīng)由打印頭66基于連續(xù)或非連續(xù)的方式使樹脂55沉積。在一些示例中，可以以十字頭擠出系統(tǒng)實施該熔化和擠出步驟。

雖然主要關(guān)于樹脂55的沉積對圖5的打印系統(tǒng)60的示例進行了描述，但在一些示例中，來自第一樹脂供給裝置62和/或第二樹脂供給裝置63的樹脂55還可以包括與樹脂55混合的碳纖維53，以使得經(jīng)由打印頭68進行的樹脂55的沉積可以包括隨同樹脂55一起的碳纖維53的沉積。第一樹脂供給裝置62中的碳纖維的類型可以不同于第二樹脂供給裝置63中的碳纖維的類型，以便例如提供在整個預(yù)制體50內(nèi)的不同類型的碳纖維53。替代地或附加地，可以使碳纖維53與樹脂53分開地進行沉積，例如使碳纖維53作為預(yù)制的碳纖維織物段或作為經(jīng)由打印頭68通過使纖維材料沉積而形成的纖維53來進行沉積，以使得該纖維具有期望的取向和/或具有期望的纖維類型。

在圖5所示出的示例中，系統(tǒng)60包括控制器70，在3d打印過程期間，該控制器70可以控制系統(tǒng)60的運行以便提供具有期望的幾何結(jié)構(gòu)和成分的預(yù)制體50。例如，在進行沉積期間，控制器70可以對附接到可移動打印頭68的控制臂72的運動進行控制，以便控制可移動打印表面68相對于工作表面66的位置。在這種方式中，控制器70可以控制可移動打印頭68相對于已經(jīng)離開打印頭68的樹脂55的相對位置以便例如通過對樹脂55和纖維53的各個行56進行沉積來形成預(yù)制體50的各個層54，以使得預(yù)制體50呈現(xiàn)出期望的三維幾何結(jié)構(gòu)?？梢圆捎貌竭M電機或伺服電機來使打印頭68移動并且調(diào)整樹脂55到打印頭68外的流動。控制器70可以被構(gòu)造成對控制器臂72的位置進行控制以便使打印頭66沿x軸和y軸方向移動，并且在一些示例中，使打印頭66沿z軸方向移動。此外，控制器70可以控制增材沉積過程的一個或多個其它的要素，例如系統(tǒng)60內(nèi)的一個多個位置處的樹脂55的溫度、從供給裝置62到擠出裝置64的復(fù)合樹脂55的供給的時機、打印頭68的位置和/或樹脂55到打印頭68外的流動速率。

在一些示例中，控制器70可以包括一個或多個微處理器，該一個或多個微處理器能夠響應(yīng)接收到的和/或所儲存的數(shù)據(jù)來執(zhí)行和/或輸出命令信號?？刂破?0可以包括一個或多個處理器，該一個或多個處理器包括一個或多個微處理器、數(shù)字信號處理器（dsp）、專用集成電路（asic）、現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）或任何其它的等效的集成或分立邏輯電路，以及此類部件的任意組合。術(shù)語“處理器”或“處理電路”通?？梢灾傅氖侨我馇笆龅倪壿嬰娐贰⑦壿嬰娐纷陨砘蚺c其它邏輯電路的組合、或者任何其它的等效的電路。控制器70可以包括計算機可讀存儲器，例如只讀存儲器（rom）、隨機存取存儲器（ram）、和/或閃速存儲器、或用于運行應(yīng)用和處理數(shù)據(jù)以便控制涉及系統(tǒng)60的操作的任何其它部件。因此，在一些示例中，控制器70可以包括指令和/或數(shù)據(jù)，這些指令和/或數(shù)據(jù)在一個或多個存儲器、儲存設(shè)備和/或微處理器內(nèi)以硬件、軟件和/或固件的形式進行儲存。在一些示例中，控制器可以使用在微控制器上運行的計算機輔助制造（cam）軟件包來控制打印頭66?？刂破?0可以包括多個控制器或僅包括單一控制器。

圖6是流程圖，示出了依照本公開的方面形成預(yù)制體50并且隨后由該預(yù)制體50形成致密化的c-c復(fù)合材料的示例技術(shù)。為了簡化說明，使圖6的示例經(jīng)由圖5的系統(tǒng)60進行執(zhí)行來對圖6的示例進行描述。然而，在一些示例中，圖6所示的技術(shù)能夠由適合用于實施碳預(yù)制體50的3d打印的其它系統(tǒng)來執(zhí)行。

如所示，在控制器70的控制下，打印頭68使來自第一樹脂供給裝置62的第一樹脂/碳纖維復(fù)合混合物沉積在例如沿x-y平面形成的碳纖維的層上，以便在工作表面66上形成樹脂55和纖維53的第一層，例如層54x1（82）。這樣的過程可以包括形成各個行（例如，對應(yīng)于圖4所示的用于層54x4的行56）以便沿x-y平面形成樹脂55和纖維53的層54x1?？刂破?0可以在整個過程中控制打印頭68的位置以便提供期望的層的幾何結(jié)構(gòu)。

在樹脂55和碳纖維53的第一層已經(jīng)冷卻以固化該層之后，在控制器70的控制下，打印頭68使來自第二樹脂供給裝置63的第二樹脂/碳纖維復(fù)合混合物沉積以便在第一層54x1上形成復(fù)合材料52的第二層（層54x2）（84）。在這種方式中，在第一樹脂供給裝置62的樹脂成分不同于第二樹脂供給裝置63的樹脂成分的情況中，可以認為第一和第二層的組合中的樹脂55的成分是非一致的。類似地，在第一樹脂供給裝置62中的纖維的類型不同于第二樹脂供給裝置63中的纖維的類型的情況中，可以認為第一和第二層的組合中的纖維53的類型是不同的。

重復(fù)該過程來形成預(yù)制體50的層54x1、54x2、54x3、54x4、…和54xn，其中，每一層形成自第一樹脂供給裝置62、第二樹脂供給裝置63或者形成自第一樹脂供給裝置62和第二樹脂供給裝置63的組合（86）。再者，控制器70可以在整個沉積過程中沿三個維度（或者更多維度）控制打印頭68的位置，以使得樹脂/碳纖維混合物的層54x1、54x2、54x3、54x4、…和54xn的組合形成具有期望的三維幾何結(jié)構(gòu)的預(yù)制體50。而且，控制器70可以在整個過程中控制被沉積的樹脂成分的類型和/或纖維的類型，以便例如提供在整體上具有非一致的樹脂成分和/或不同的樹脂的類型的預(yù)制體，從而提供本文所描述的性質(zhì)中的一個或多個。在對纖維進行沉積時，控制器70可以通過經(jīng)由控制器70來控制打印頭68的取向而控制纖維取向。

隨后，可以例如通過將多層碳纖維預(yù)制體50的溫度加熱到近似550攝氏度至近似2450攝氏度而使該預(yù)制體50碳化（88）。在碳化過程期間，發(fā)生樹脂和纖維組分的熱解，并且更高分子量的組分被分解成各種氣體和碳。碳保留在被碳化的組分中而氣體被基本消除（例如被消除或幾乎被消除）。

多層預(yù)制體50的碳化過程（88）之后，可以使用化學(xué)氣相沉積（cvd）/化學(xué)氣相滲透（cvi）來用含碳材料使碳化的預(yù)制體致密化（90）。例如，碳化的預(yù)制體可以經(jīng)歷一個或多個周期的cvd/cvi以便填充預(yù)制體50中的空隙，該空隙是在碳化過程期間由于氣體的析出而產(chǎn)生的。碳化的預(yù)制體可以經(jīng)歷一個或多個周期的cvd/cvi直到材料呈現(xiàn)出期望的密度。例如，這樣的材料可以呈現(xiàn)出大于1.7克每立方厘米（g/cc）的密度，例如在近似1.75g/cc和近似1.90g/cc之間的密度。

在一些cvd/cvi的示例中，在蒸餾瓶中、在惰性氣體的覆蓋下以例如低于100托的壓力加熱碳化的預(yù)制體。當(dāng)碳化的預(yù)制體達到大約900攝氏度和大約1200攝氏度之間的溫度時，惰性氣體被替換成含碳的氣體，例如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯、或乙炔、或這些氣體中的至少兩種的組合。當(dāng)該含碳的氣體圍繞并流動通過碳化的預(yù)制體時，發(fā)生一系列復(fù)雜的脫氫、縮合和聚合反應(yīng)，由此使碳原子在碳化的預(yù)制體內(nèi)部沉積并且沉積到碳化的預(yù)制體的表面上。經(jīng)過一段時間，隨著越來越多的碳原子沉積到碳化的預(yù)制體中的孔隙的表面上，該碳化的預(yù)制體變得更加致密。這個過程可以被稱為致密化，因為碳化的預(yù)制體中的間隙空間最終由碳基體填充，直到大體上形成固體的碳部分。美國專利no.7,332,195（arico等）提供了能夠與本文所描述的技術(shù)一起使用的示例的cvd/cvi過程的概述，該專利的全部公開內(nèi)容通過引用合并到本文中。在其它示例中，可以使用其它技術(shù)來使預(yù)制體50致密化。

已經(jīng)描述了用于形成碳纖維預(yù)制體的不同的技術(shù)的示例。在不同的示例中，可以在不同的硬件、軟件、固件或這些的任意組合中實施本公開的技術(shù)。在一些示例中，可以在一個或多個處理器內(nèi)實施本公開的技術(shù)，該一個或多個處理器包括一個或多個微處理器、數(shù)字信號處理器（dsp）、專用集成電路（asic）、現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）、或任何其它等效的集成或分立的邏輯電路，以及此類部件的任何組合。在一些示例中，本公開的技術(shù)還可以被具體體現(xiàn)或編碼在計算機可讀介質(zhì)（例如計算機可讀存儲介質(zhì)）中，從而包含指令。被嵌入或編碼在計算機可讀存儲介質(zhì)中的指令可以導(dǎo)致可編程處理器或其它處理器來執(zhí)行該方法，例如當(dāng)運行該指令時。計算機可讀存儲介質(zhì)可以包括隨機存取存儲器（ram）、只讀存儲器（rom）、可編程只讀存儲器（prom）、可擦可編程只讀存儲器（eprom）、電可擦可編程只讀存儲器（eeprom）、閃速存儲器、硬盤、cd-rom、軟磁盤、盒帶、磁性介質(zhì)、光學(xué)介質(zhì)、或其它計算機可讀介質(zhì)。

已經(jīng)描述了各種示例。這些示例和其它示例在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。