專利名稱：制造包含陶瓷粒子的碳/碳型復(fù)合材料部件用的纖維預(yù)成型件的制造方法和由此獲得的產(chǎn)品的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造包含陶瓷粒子的碳/碳型復(fù)合材料部件用的纖維預(yù)成型件的制造方法和由此獲得的產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
和目的本發(fā)明涉及由碳/碳(C/C)復(fù)合材料制造部件用的纖維預(yù)成型件的制造，所述碳/碳復(fù)合材料即含有碳纖維增強(qiáng)材料和主要由碳制成的基體的復(fù)合材料。
本發(fā)明的一個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域是由C/C復(fù)合材料制成的摩擦部件，更具體地說，是飛機(jī)制動(dòng)盤。
為了改進(jìn)由C/C復(fù)合材料制成的制動(dòng)盤的耐磨性，美國專利No.6,376,431考慮在碳纖維增強(qiáng)材料內(nèi)摻入陶瓷，更具體地說，碳化硅(SiC)。為此，用含有SiO2前體的溶膠-凝膠型溶液浸漬增強(qiáng)材料或預(yù)成型件，該溶液在熱處理后留下在整個(gè)預(yù)成型件中基本均勻分布的SiC粒子。由此引入的SiC的重量百分比小不超過復(fù)合材料重量的1％。
這種已知方法要求在制成預(yù)成型件后處理它們。處理可以在多個(gè)階段中進(jìn)行(在浸漬之前和之后)，這些階段冗長昂貴且需要小心實(shí)施以免使被浸漬的預(yù)成型件變形(該被浸漬的預(yù)成型件此時(shí)既重又軟)。此外，不可能以有控制的方式改變SiC粒子在預(yù)成型件內(nèi)的濃度。申請人還觀察到，SiC粒子的存在可以通過使構(gòu)成增強(qiáng)材料的碳纖維弱化來影響復(fù)合材料的機(jī)械性能。在制動(dòng)盤的經(jīng)受機(jī)械應(yīng)力的那些部位，例如傳送制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的盤心，特別是在需要傳送非常高的轉(zhuǎn)矩級別的飛機(jī)制動(dòng)器中，保持良好的機(jī)械性能是特別重要的。制動(dòng)盤心的任何弱化都是不可以接受的。
本發(fā)明的目的是在避免上述缺點(diǎn)的同時(shí)在復(fù)合材料部件的纖維預(yù)成型件中摻入陶瓷粒子。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，通過復(fù)合材料部件的纖維預(yù)成型件的制造方法，實(shí)現(xiàn)該目的，該方法包括a)在能夠使離散陶瓷粒子分散體留在纖維織物上的溶液或懸浮液中浸漬碳或碳前體纖維的一個(gè)或多個(gè)二維纖維織物，和b)通過疊加由碳或碳前體纖維的二維織物構(gòu)成的層片并將層片結(jié)合在一起來制造纖維預(yù)成型件，至少一些層片至少部分由在步驟a)中預(yù)先浸漬的二維織物構(gòu)成。
因此，該方法的不尋常之處在于，通過在形成預(yù)成型件之前浸漬用于制造預(yù)成型件的二維纖維織物，獲得陶瓷粒子在預(yù)成型件層片中的分散(或者說“散布”)。
可以在疊加纖維織物層片的位置的上游，在纖維織物上進(jìn)行這種浸漬。如此，這種浸漬步驟無需大的修改就可以結(jié)合到預(yù)成型件制造方法中。
此外，浸漬可以容易地以選擇性方式進(jìn)行以實(shí)現(xiàn)陶瓷粒子在預(yù)成型件中的所需濃度，或限制陶瓷粒子在預(yù)成型件某些區(qū)域中的存在。
本發(fā)明的方法中二維纖維織物的浸漬可以通過使織物連續(xù)穿過浴(bath)，或通過將溶液或懸浮液噴到織物上來實(shí)施。
可以使用含陶瓷前體的溶膠-凝膠溶液，在隨后的熱處理之后獲得分散陶瓷粒子的存在。特別地，可以使用在干燥后留下氧化物粒子分散體的溶膠-凝膠溶液，所述氧化物粒子特別是例如耐火氧化物粒子，尤其是TiO2、ZrO2、HfO2和SiO2。分布在纖維織物中的氧化物的量優(yōu)選為纖維織物的重量的0.1％至20％，特別優(yōu)選為1％至15％。氧化物粒子隨后可以通過在熱處理下與纖維織物中纖維的碳反應(yīng)而轉(zhuǎn)化成耐火碳化物粒子。熱處理優(yōu)選在惰性氣氛中在1400℃至1750℃進(jìn)行。
在一種變化形式中，可以使用平均直徑優(yōu)選不超過100納米(nm)或甚至50納米的氧化物粒子的膠態(tài)懸浮液，所述氧化物特別是TiO2、ZrO2、HfO2和SiO2。
當(dāng)預(yù)成型體中不需要存在SiC粒子時(shí)，可以使用除留下SiO2粒子分散體的那些溶液以外的溶膠-凝膠溶液。
有利地，為了制造制動(dòng)器預(yù)成型件，構(gòu)成機(jī)械傳送制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的那部分制動(dòng)盤的纖維增強(qiáng)材料用的那部分預(yù)成型件是由沒有用能夠在織物中留下陶瓷粒子分散體的溶液或懸浮液浸漬的二維織物層片制成的。
在另一方面，本發(fā)明提供了可由此獲得的制動(dòng)盤預(yù)成型件。也就是說，預(yù)成型件由碳纖維制成，包括分散在預(yù)成型件中的耐火陶瓷粒子，其中構(gòu)成機(jī)械傳送制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的那部分制動(dòng)盤的纖維增強(qiáng)材料用的那部分預(yù)成型件不含或幾乎不含陶瓷粒子。
在又一方面，本發(fā)明還提供了C/C復(fù)合材料的制動(dòng)盤，其中通過如上定義的制造制動(dòng)盤預(yù)成型件的方法，或由如上定義的制動(dòng)盤預(yù)成型件獲得纖維增強(qiáng)材料。
更具體地說，本發(fā)明提供了通過如上定義的方法獲得的任何C/C復(fù)合材料部件。
有利地，在由此獲得的C/C復(fù)合材料部件或制動(dòng)盤的含陶瓷粒子的部分中，陶瓷粒子構(gòu)成復(fù)合材料的重量的0.1％至5％。


閱讀作為非限制性指示給出的下列描述并參照附圖，可以更好地理解本發(fā)明，其中-圖1至4顯示了本發(fā)明的方法的各種實(shí)施方案的步驟順序；-圖5和6是用于制造實(shí)施本發(fā)明的方法的針刺纖維預(yù)成型件的兩種裝置的高度概略性示意圖；-圖7是通過本發(fā)明的方法獲得的復(fù)合材料部件的高度概略性視圖；-圖8是顯示陶瓷粒子在纖維預(yù)成型件的纖維上的分布的電子掃描顯微照片；-圖9顯示了摩擦試驗(yàn)的結(jié)果；而-圖10和11是使用電子掃描顯微鏡獲取的并顯示陶瓷粒子在纖維預(yù)成型件的纖維上的分布的照片。
具體實(shí)施例方式
通過將二維織物的層片或?qū)盈B加并結(jié)合在一起來制備三維纖維預(yù)成型件是本身公知的工藝。
二維織物可以是單向或多向(Unidirectional or Multidirectional，UD或nD)的織布、氈、針織品或片材形式的。UD片材由彼此基本平行延伸的纖絲或紗線構(gòu)成，它們可能在橫向上結(jié)合(例如通過光針刺)以賦予UD片材一定的結(jié)合力。nD片材由在不同方向上延伸并結(jié)合在一起(例如通過針刺、縫合或類似方式)的n片疊加的UD片材構(gòu)成。也可以使用復(fù)雜形狀的二維織物，該復(fù)雜形狀的二維織物包括在其上設(shè)置并結(jié)合(例如通過針刺)了自由纖維網(wǎng)的布或片材。具體可以參考美國專利Nos.4,790,052和5,792,715，它們描述了針刺纖維板的制備，可以從其上切下預(yù)成型件，例如用于制動(dòng)盤的環(huán)形預(yù)成型件。也可以參考文獻(xiàn)EP 0 232 059，其描述了通過疊加環(huán)形層片并通過環(huán)形針刺來制備環(huán)形預(yù)成型件。
二維織物也可以是螺旋織物形式，例如螺旋布或編織物或其它可形變織物，其以疊加的平坦轉(zhuǎn)圈形式纏繞以構(gòu)成環(huán)形纖維預(yù)成型件，通常是制動(dòng)盤預(yù)成型件?？梢酝ㄟ^針刺將構(gòu)成相疊加的層片的圈(turns)結(jié)合在一起。可以參考美國專利Nos.6,009,605和6,363,593。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)例中，用于制備預(yù)成型件的纖維織物在預(yù)成型件制造之前或之中被浸漬，以獲得陶瓷粒子在最終預(yù)成型件內(nèi)的所需分散。
在圖1所示的特定實(shí)施方案中，用含有氧化物粒子前體的溶膠-凝膠溶液浸漬(步驟11)碳纖維或碳前體纖維的二維纖維織物(例如nD片材)。如果使用碳前體纖維的織物，優(yōu)選選擇已具有相對較高碳含量的前體，例如碳含量不低于80％的前體。例如，對于獲自預(yù)氧化聚丙烯腈(PAN)的纖維，優(yōu)選在至少900℃預(yù)碳化之后進(jìn)行浸漬，預(yù)碳化用于使碳含量升至80％至95％的值。根據(jù)所需氧化物粒子的性質(zhì)選擇溶膠-凝膠溶液。例如，通過將構(gòu)成SiO2前體的四乙氧基硅烷(TEOS)Si(OC2H5)4與乙醇、鹽酸和水混合，可以獲得含有二氧化硅SiO2前體的溶膠-凝膠溶液。為了在隨后的干燥之后獲得SiO2以外的氧化物粒子，只要使用適當(dāng)?shù)那绑w就可以。因此，通過將TEOS換成四乙醇鈦Ti(OCH2CH3)4，可以獲得TiO2粒子，通過將TEOS換成正丁醇鋯Zr(O(CH2)3CH3)4，可以獲得ZrO2粒子。
應(yīng)該觀察到，通過將溶膠-凝膠溶液噴到織物的一個(gè)表面或兩個(gè)表面上，例如通過使纖維織物運(yùn)行經(jīng)過沿織物一個(gè)或兩個(gè)表面的一個(gè)或多個(gè)噴嘴或多排噴嘴，可以浸漬纖維織物。也可以如下進(jìn)行浸漬使纖維織物穿過溶膠-凝膠溶液浴(bath)，優(yōu)選此后瀝干織物。
優(yōu)選以下述方式調(diào)節(jié)纖維織物的浸漬——在隨后的干燥之后，分布在纖維織物中的耐火氧化物粒子的量按重量計(jì)算構(gòu)成干纖維織物的0.1％至20％，優(yōu)選1％至15％。
將濕的浸漬織物層片疊加并在它們疊加時(shí)逐步結(jié)合在一起。結(jié)合可以通過如上述美國專利Nos.4,790,052和5,792,715中所述的針刺進(jìn)行(步驟12)。可以考慮其它結(jié)合技術(shù)，例如縫合或?qū)⒕€穿過疊加層片。
一旦三維纖維結(jié)構(gòu)達(dá)到所需厚度，就在爐式干燥器中進(jìn)行干燥(步驟13)，其在所得纖維預(yù)成型件中的纖維上留下氧化物粒子分散體。干燥例如在50℃至110℃進(jìn)行12小時(shí)至24小時(shí)。
然后在惰性氣氛，例如氮?dú)庵羞M(jìn)行熱處理(步驟14)，在此期間通過與纖維結(jié)構(gòu)中纖維的碳反應(yīng)，將耐火氧化物粒子轉(zhuǎn)化成耐火碳化物粒子。熱處理在1400℃至1750℃進(jìn)行，持續(xù)時(shí)間可以長達(dá)4小時(shí)。當(dāng)浸漬后的纖維織物的纖維仍處于碳前體階段時(shí)，纖維的碳化和氧化物粒子向耐火碳化物的轉(zhuǎn)化可以在單個(gè)熱處理操作中進(jìn)行。應(yīng)該觀察到，可以在熱處理之前或之后從三維纖維結(jié)構(gòu)上切下形狀與要由復(fù)合材料制成的部件相符的三維纖維預(yù)成型件。在一種變化形式中，通過將具有所需形狀的層片疊加并針刺在一起，可以直接獲得具有所需形狀的預(yù)成型件。
然后以公知方式用碳基體增密纖維預(yù)成型件(步驟15)，例如通過化學(xué)氣相滲透(Chemical Vapor Infiltration，CVI)，使用含有一種或多種碳前體的反應(yīng)氣體相，該碳前體通過在指定溫度和壓力條件下分解而產(chǎn)生熱解碳。也可以通過“液體”技術(shù)用碳基體進(jìn)行增密，即用含有碳前體的液體組合物，例如瀝青或樹脂，來浸漬預(yù)成型件，并通過熱處理將前體轉(zhuǎn)化成碳。在任何情況下，獲得C/C復(fù)合材料部件——其中耐火碳化物粒子分散體構(gòu)成復(fù)合材料最終重量的大約0.01％至10％，優(yōu)選0.1％至5％。
圖2顯示了本發(fā)明的方法的另一實(shí)施方案。圖2的方法與圖1的區(qū)別在于，在步驟21中(與步驟11類似)浸漬的二維織物在步驟23(與步驟12類似)——將含有耐火氧化物粒子分散體的干燥纖維織物層片疊加并結(jié)合在一起——之前，在爐中干燥(步驟21)以獲得纖維預(yù)成型件。然后進(jìn)行與步驟14和15類似的熱處理和增密預(yù)成型件的步驟24和25。
需要特別說明的是，當(dāng)通過針刺獲得疊加層片之間的結(jié)合時(shí)，應(yīng)該觀察到，優(yōu)選在干燥之前在濕層片上進(jìn)行針刺，以避免針刺干燥纖維織物時(shí)可能發(fā)生的纖絲或灰塵擴(kuò)散到環(huán)境中。
圖3顯示了特別可用于制造C/C復(fù)合材料制動(dòng)盤的本發(fā)明的方法的再一實(shí)施方案。在圖3的實(shí)施方案中，復(fù)合材料部件如下制造用溶膠-凝膠溶液浸漬碳纖維或碳前體纖維的二維纖維織物的步驟31(與步驟10類似)；將多個(gè)濕浸漬層片疊加并結(jié)合在一起(步驟32)，以獲得第一厚度纖維結(jié)構(gòu)；優(yōu)選使用與步驟31中浸漬的織物相同的織物，在所述第一厚度纖維結(jié)構(gòu)上放置(步驟33)多個(gè)未浸漬二維纖維結(jié)構(gòu)層片，未浸漬纖維織物層片疊加并彼此結(jié)合并結(jié)合到在下方的第一厚度纖維結(jié)構(gòu)層片上，以形成與第一厚度結(jié)合的第二厚度纖維結(jié)構(gòu)；優(yōu)選使用與步驟31中浸漬的織物相同的織物，在所述第二厚度纖維結(jié)構(gòu)上放置(步驟34)多個(gè)濕的浸漬纖維織物層片，這些浸漬纖維織物層片彼此結(jié)合并結(jié)合到在下方的第二厚度纖維結(jié)構(gòu)上，以形成與第二厚度結(jié)合的第三厚度纖維結(jié)構(gòu)；干燥纖維結(jié)構(gòu)的步驟35，與步驟13類似；對纖維預(yù)成型件施加熱處理的步驟36，與步驟14類似；和增密纖維預(yù)成型件的步驟37，與步驟15類似。
如此，制成C/C復(fù)合材料部件38(圖7)，其具有與該部件的相對的表面38a和38b相鄰且其中分散有耐火碳化物粒子的兩個(gè)部分39a和39b，和沒有耐火碳化物粒子或幾乎沒有耐火碳化物粒子的中心部分39c。(在步驟33的針刺過程中，可能會(huì)有非常少量的浸漬組合物遷移到預(yù)成型件的中心部分中。)在復(fù)合材料部件的含有耐火碳化物粒子的那些部分中，粒子以重量計(jì)算優(yōu)選構(gòu)成復(fù)合材料重量的大約0.1％至5％。
對于由C/C復(fù)合材料制成的制動(dòng)盤，耐火碳化物粒子的存在因此可以限制在制動(dòng)盤的摩擦部分中，而用于機(jī)械傳送制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的盤心沒有或幾乎沒有耐火碳化物粒子。
應(yīng)該觀察到，可以在如圖2所示的變化形式中那樣對浸漬二維結(jié)構(gòu)實(shí)施干燥之后，制備三維纖維結(jié)構(gòu)。
還應(yīng)該觀察到，使用用含有不同濃度耐火氧化物前體的溶膠-凝膠溶液浸漬的層片，和沒有浸漬的層片，可以制成在預(yù)成型件厚度上具有的任何所需的耐火碳化物粒子的非均勻分布型態(tài)(non-uniformdistribution)的纖維預(yù)成型件。
圖4顯示了本發(fā)明的再一實(shí)施方案的步驟，其中通過纏繞螺旋形二維纖維織物，例如螺旋織布，來制造三維纖維結(jié)構(gòu)。
提供一條螺旋布(步驟41)并連續(xù)浸漬(步驟42)，優(yōu)選如下浸漬在螺旋布條運(yùn)行經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)噴嘴時(shí)噴涂含有耐火氧化物前體的溶膠-凝膠溶液，例如步驟11中使用的溶液。
將浸漬過的布條以平坦重疊的環(huán)形轉(zhuǎn)圈或?qū)悠男问嚼p繞(步驟43)。例如通過針刺將這些圈彼此結(jié)合(步驟44)以形成環(huán)形纖維預(yù)成型件。
一旦達(dá)到纖維預(yù)成型件的所需厚度，就將其在爐中干燥。干燥步驟45與步驟14類似。
此后，進(jìn)行與步驟14和15類似的熱處理和增密步驟46和47。
如此，制成其中分散有耐火碳化物粒子的C/C復(fù)合材料環(huán)形部件。
通過改變噴到螺旋織物條上的溶膠-凝膠溶液的組成并通過臨時(shí)中斷將這種溶液噴到連續(xù)運(yùn)行的布條上，可以控制環(huán)形預(yù)成型件厚度方向的不同區(qū)域中耐火碳化物粒子的密度。特別地，可以將耐火碳化物粒子的存在限制在特定區(qū)域中，由此如上所述，可以制造例如具有不含或基本不含這類粒子的中心部分的C/C復(fù)合材料制動(dòng)盤。
在上文中，假定用含有氧化物前體的溶膠-凝膠溶液浸漬二維纖維織物。
在一種變化形式中，可以使用氧化物的膠態(tài)懸浮液，例如ZrO2、TiO2、HfO2、SiO2或類似物的膠體溶液。干燥后，通過如上所述導(dǎo)致與纖維織物的纖維的碳反應(yīng)的熱處理，將氧化物粒子轉(zhuǎn)化成耐火碳化物粒子。
當(dāng)使用懸浮液時(shí)，氧化物粒子應(yīng)該具有優(yōu)選小于100納米，或甚至小于50納米的平均尺寸，特別是在制造摩擦部件時(shí)。C/C復(fù)合摩擦部件中相對較大的固體陶瓷粒子的存在會(huì)加速磨損。插入的耐火氧化物粒子以重量計(jì)算可以構(gòu)成纖維織物干重量的0.1％至20％，優(yōu)選1％至15％。
盡管如此，應(yīng)該觀察到，關(guān)于用給定溶膠-凝膠溶液的浸漬，優(yōu)選使用在層片干燥之后獲得均勻粒子分布的溶膠-凝膠溶液。
如本說明書開始部分所述，本發(fā)明的方法的優(yōu)點(diǎn)在于浸漬容易被結(jié)合到常規(guī)的制造纖維預(yù)成型件的方法中。
圖5顯示了第一實(shí)例，該圖是通過疊加和針刺二維纖維織物層片來制造板材形式的三維纖維結(jié)構(gòu)用的裝置的高度概略性視圖，該裝置是用于實(shí)施上述美國專利Nos.4,790,052和5,792,715中所述的方法的類型。
疊加層片52并通過針刺將它們結(jié)合在一起，由此獲得針刺纖維板51。板51水平移動(dòng)而經(jīng)過以垂直往復(fù)運(yùn)動(dòng)方式而被驅(qū)動(dòng)的針板53。在美國專利No.6,568,050中描述了在針刺過程中進(jìn)給這類纖維板用的裝置的實(shí)施方案。
通過使正在制備的纖維板51以一個(gè)方向(箭頭F)移動(dòng)，進(jìn)行一個(gè)針刺歷程。在其行程(stroke)的最后，將新的層片52置于板的上表面上，并通過使纖維板51以相反方向移動(dòng)來進(jìn)行一個(gè)新的針刺歷程。
例如通過輥?zhàn)踊蝌?qū)動(dòng)卡盤(drive clamps)(未顯示)，從各位于針刺臺側(cè)板56、57一側(cè)的二維纖維織物卷軸54、55上截取層片。
噴嘴58、59的橫向列位于二維纖維織物從卷軸54或55到板56或57的路徑上。噴嘴58、59在壓力下裝入溶膠-凝膠溶液或裝入懸浮液以便在層片移動(dòng)時(shí)浸漬層片，從而帶到構(gòu)建之中的纖維板51上，以系統(tǒng)地或選擇性地浸漬層片的方式控制噴嘴進(jìn)料。在一種變化形式中，可以使層片穿過浴來浸漬層片。
圖6顯示了第二實(shí)施例，該圖是如下制造環(huán)形三維纖維結(jié)構(gòu)用的裝置的高度概略性視圖——纏繞從螺旋纖維織物條上截取的平坦疊加的層片或圈，并通過針刺使這些圈結(jié)合。這種裝置是上述美國專利Nos.6,009,605和6,363,593中顯示的類型。
將螺旋纖維織物條61，例如螺旋織布，進(jìn)給到水平支承的轉(zhuǎn)臺62(箭頭f1)上，布以疊加的環(huán)形層片或圈的形式落在該轉(zhuǎn)臺上以形成環(huán)形纖維結(jié)構(gòu)63。在其運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)臺在針刺頭64下通過，該針刺頭占據(jù)環(huán)帶的一個(gè)扇區(qū)并以往復(fù)垂直運(yùn)動(dòng)方式而被驅(qū)動(dòng)。螺旋布進(jìn)給和針刺均連續(xù)進(jìn)行直至獲得針刺環(huán)形預(yù)成型件的所需厚度，其中支承轉(zhuǎn)臺相對于針刺頭逐漸向下移動(dòng)。
在其進(jìn)給時(shí)，在落在支承轉(zhuǎn)臺62上之前，螺旋布經(jīng)過一列噴嘴65，其用于將溶膠-凝膠溶液或懸浮液噴到布上以浸漬布。根據(jù)要求以連續(xù)地或用其它形式浸漬螺旋布的方式控制噴嘴65。
實(shí)例1使用通過將UD片材放置在另一連續(xù)運(yùn)行的UD片材上而獲得的條形二維纖維織物，這種放置的進(jìn)行使得以彼此之間形成60°角的方向獲得3D片材。UD片材由碳纖絲制成。
制備組成如下的浸漬組合物(按體積計(jì))18.5％TEOS(Si(OC2H5)4)；2.99％水；78.5％乙醇；和0.01％10N鹽酸。
TEOS濃度為0.83摩爾/升(mol/L)，其pH值為大約3，H2O/TEOS的摩爾比為大約2。為了制備該組合物，制備TEOS與一半乙醇的混合物，并分開制備剩余乙醇與水和鹽酸的混合物，然后將這些成分在攪拌下全部混合在一起大約2小時(shí)。如此制成的溶膠-凝膠組合物適合在數(shù)天內(nèi)儲(chǔ)存和使用。
疊加用所述組合物浸漬的所述二維纖維織物層片，并通過針刺將層片結(jié)合在一起，由此制造三維纖維結(jié)構(gòu)。
在爐中在60℃干燥16小時(shí)后，在氮?dú)庀略?600℃進(jìn)行熱處理4小時(shí)。如此使SiO2轉(zhuǎn)化成SiC。圖8顯示了SiC粒子在預(yù)成型件纖維上的分散。
通過化學(xué)氣相滲透用熱解碳基體對所得纖維結(jié)構(gòu)進(jìn)行增密，直至獲得大約1.78的相對密度。所得復(fù)合材料中SiC的重量濃度為大約2.5％。
對該實(shí)施例中獲得的富含SiC粒子的C/C復(fù)合材料試樣進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。在與普通制動(dòng)盤相比具有小尺寸，即外徑144mm、內(nèi)徑98mm且厚度14mm的試樣上進(jìn)行制動(dòng)模擬。施加16千焦耳/千克(kJ/kg)至1700kJ/kg的每單位重量的能量，同時(shí)在試樣上施加520轉(zhuǎn)/分鐘(rpm)至3400rpm的初始轉(zhuǎn)速，制動(dòng)壓力為3.2巴至7.62巴。這相當(dāng)于連續(xù)進(jìn)行11次重復(fù)制動(dòng)操作以獲得磨損速率和摩擦系數(shù)的有意義的平均值。
圖9中的曲線A顯示了隨在摩擦表面下1mm處測得的溫度變化而測得的磨損速率，所述溫度與施加的制動(dòng)能相關(guān)。通過測量磨損面厚度每秒的變化速率來測量磨損速率。
作為比較，圖9中的曲線B和C顯示了用不富含SiC的C/C復(fù)合材料獲得的結(jié)果的(陰影)范圍的包絡(luò)線。
可以看出，除低溫范圍(即最多大約180℃的溫度)外，SiC粒子的存在導(dǎo)致磨損顯著降低，并且該現(xiàn)象延續(xù)到高溫區(qū)域。這是一項(xiàng)意義重大的成果。
無論如何，摩擦系數(shù)的測量表明在高溫下的一定不穩(wěn)定性，這與陶瓷粒子的性質(zhì)(SiC)相關(guān)。為了用于高能制動(dòng)領(lǐng)域，優(yōu)選存在SiC以外的粒子，這意味著使用含有SiO2以外的氧化物前體的溶膠-凝膠溶液或SiO2以外的氧化物的膠態(tài)懸浮液。
實(shí)例2如實(shí)施例1中那樣制造三維纖維結(jié)構(gòu)，只是連續(xù)疊加5片浸漬纖維織物、12片未浸漬織物和5片浸漬層片。在干燥之后，從所得纖維結(jié)構(gòu)上切下制動(dòng)盤預(yù)成型件，并進(jìn)行熱處理以將SiO2轉(zhuǎn)化成SiC，然后通過CVI用熱解碳基體增密。
由此獲得制動(dòng)盤——其中與圖7中非常概略性所示的方式類似地，盤心部分幾乎不含SiC粒子。
實(shí)例3程序與實(shí)施例1中相同，只是浸漬組合物含有0.17摩爾/升濃度的TEOS，pH值為大約3，且H2O/TEOS比率為2。在通過針刺、干燥和熱處理形成纖維結(jié)構(gòu)后，如圖10中可以看到的那樣，在兩個(gè)不同尺寸范圍內(nèi)觀察SiC粒子的存在。浸漬組合物的選擇方式因此不僅有助于摻入不同類型的粒子，還有助于摻入不同形態(tài)的粒子。
實(shí)例4程序與實(shí)施例1中相同，只是使用中碳纖絲——即在碳前體晚期的纖絲——的UD片材。這類纖絲由市售碳纖維或已通過在900℃熱處理經(jīng)過預(yù)碳化的預(yù)氧化PAN纖維構(gòu)成。
在1600℃熱處理的過程中發(fā)生碳纖絲的最終轉(zhuǎn)化，在此過程中，SiO2粒子轉(zhuǎn)化成SiC粒子，并獲得與實(shí)施例1類似地包含附加SiC粒子的三維碳纖維結(jié)構(gòu)。
實(shí)例5程序與實(shí)施例1中相同，但將SiO2前體溶膠-凝膠溶液替換成以重量計(jì)算濃度為5％的ZrO2膠體懸浮液。在1600℃熱處理4小時(shí)后，如圖11的照片所示，在三維纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)獲得ZrC粒子的分散體。
權(quán)利要求
1.由碳或碳前體纖維的至少一個(gè)二維纖維織物制造纖維預(yù)成型件的方法，該預(yù)成型件是用于制造碳/碳復(fù)合材料部件的，該方法包括下列步驟a)在能夠使離散陶瓷粒子分散體留在纖維織物上的溶液或懸浮液中浸漬碳或碳前體纖維的一個(gè)或多個(gè)二維纖維織物，和b)通過疊加由碳或碳前體纖維的三維織物構(gòu)成的層片并將層片結(jié)合在一起來制造纖維預(yù)成型件，至少一些層片至少部分由在步驟a)中預(yù)先浸漬的二維織物構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過使織物連續(xù)經(jīng)過浴來浸漬二維纖維織物。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中通過將溶液或懸浮噴到連續(xù)運(yùn)行的織物上來浸漬二維纖維織物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的方法，其中用含有氧化物前體的溶膠-凝膠溶液進(jìn)行浸漬。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中用含有選自TiO2、ZrO2、HfO2和SiO2的氧化物前體的溶膠-凝膠溶液進(jìn)行浸漬。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或權(quán)利要求5的方法，其中用含有SiO2以外的氧化物前體的溶膠-凝膠溶液進(jìn)行浸漬。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一項(xiàng)的方法，其中用氧化物粒子的膠體懸浮液進(jìn)行浸漬。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中氧化物粒子選自TiO2、ZrO2、HfO2和SiO2。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或權(quán)利要求8的方法，其中用除SiO2以外的氧化物粒子的膠體懸浮液進(jìn)行浸漬。
10.根據(jù)權(quán)利要求4至6和7至9任一項(xiàng)的方法，其中氧化物粒子通過在熱處理下與纖維織物的纖維的碳發(fā)生反應(yīng)而轉(zhuǎn)化成耐火碳化物粒子。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的方法，其中在惰性氣氛下在1400℃至1750℃進(jìn)行熱處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11任一項(xiàng)的方法，其中分散在纖維織物上的陶瓷粒子按重量計(jì)算構(gòu)成待制造復(fù)合材料的0.01至10％，優(yōu)選0.1％至5％。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至12任一項(xiàng)的方法，其中在浸漬過的二維纖維織物干燥之前，通過針刺將層片結(jié)合在一起。
14.根據(jù)權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)的方法，用于制造制動(dòng)盤的纖維預(yù)成型件，其中構(gòu)成機(jī)械傳送制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的那部分制動(dòng)盤的纖維增強(qiáng)材料用的那部分預(yù)成型件是由沒有在能夠在織物中留下陶瓷粒子分散體的溶液或懸浮液中浸漬的二維織物層片制成的。
15.由碳纖維制成的并包括分散在預(yù)成型件中的耐火陶瓷粒子的用于制動(dòng)盤的纖維預(yù)成型件，構(gòu)成機(jī)械傳送制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的那部分制動(dòng)盤的纖維增強(qiáng)材料用的那部分預(yù)成型件不含或幾乎不含陶瓷粒子。
16.包含通過根據(jù)權(quán)利要求1至13任一項(xiàng)的方法獲得并用碳基體增密的纖維預(yù)成型件的碳/碳復(fù)合材料部件。
17.包括陶瓷粒子的碳/碳復(fù)合材料的制動(dòng)盤，該制動(dòng)盤包含根據(jù)權(quán)利要求15或通過權(quán)利要求14的方法獲得并用碳基體增密的纖維預(yù)成型件。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或權(quán)利要求17的制動(dòng)盤或部件，其中，在含有陶瓷粒子的那些部分中，粒子按重量計(jì)算構(gòu)成復(fù)合材料的0.1％至5％。
全文摘要
用能夠使離散陶瓷粒子分散體留在纖維織物中的溶液或懸浮液浸漬(58，59)碳或碳前體纖維的一個(gè)或多個(gè)二維纖維織物，并通過疊加由二維織物——該織物由碳或碳前體纖維制成——構(gòu)成的層片來制造纖維預(yù)成型件(51)，層片彼此結(jié)合，且至少一些層片至少部分由預(yù)先浸漬的二維織物構(gòu)成。應(yīng)用領(lǐng)域特別是由含有陶瓷粒子的C/C復(fù)合材料制成的摩擦部件的應(yīng)用領(lǐng)域。
文檔編號F16D69/02GK101087739SQ200580044417
公開日2007年12月12日 申請日期2005年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月23日
發(fā)明者S·博, A·吉羅 申請人:馬塞爾-布加蒂股份有限公司