專利名稱：用于加工復(fù)合零件的纖維預(yù)成型料的復(fù)合紗線及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及加工復(fù)合材料零件的纖維預(yù)成型料，尤其是一種用于此類加工的紗線。
本發(fā)明的一個應(yīng)用領(lǐng)域是應(yīng)用于諸如離合盤，并主要是閘盤的復(fù)合材料摩擦盤的纖維預(yù)成型料。
目前賽車使用碳-碳(C-C)復(fù)合材料閘盤，飛機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子多盤閘系統(tǒng)中也大規(guī)模地應(yīng)用。
復(fù)合C-C閘盤的制造包括加工碳纖維的纖維預(yù)成型料以及用一種碳基質(zhì)致密預(yù)成型料，該碳基質(zhì)填充預(yù)成型料中大部分的可初始接近的內(nèi)孔。
傳統(tǒng)的致密是通過化學(xué)蒸汽或化學(xué)液體的滲透來實(shí)現(xiàn)的，也就是說通過熱處理進(jìn)行液態(tài)碳母體浸漬和碳母體轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)的。
通常，通過疊置兩維纖維織物形成的線網(wǎng)和交織針刺來制造纖維預(yù)成型料。兩維纖維織物可以是機(jī)織物或預(yù)針刺的單向針布。線網(wǎng)在疊加的地方針刺起來，最好是如法國專利FR-A-2 584 106所描述的那樣保持均勻的針刺厚度。線網(wǎng)被疊平并被縫成平片，環(huán)形閘盤預(yù)成型料從該處被切割。為了避免浪費(fèi)大量材料，由兩維纖維織物切割得到的并列的環(huán)形段形成線網(wǎng)，分隔環(huán)形區(qū)的線從一個線網(wǎng)偏離到下一個線網(wǎng)。
由碳纖維制成的機(jī)織物式的或者單向針布式的兩維纖維織物不適合針刺，事實(shí)上，露出倒刺或分叉的織針有使連續(xù)的或加捻的碳長絲斷裂的趨勢，它們形成紗線而不是把纖維橫向放置在疊置的線網(wǎng)上。解決這個問題的一個方法是把一個碳纖維網(wǎng)與兩維織物聯(lián)結(jié)起來，該網(wǎng)提供的纖維能被織針攜帶。另一方案包括針刺由纖維形成的兩維織物，這些纖維不是碳纖維而是更適合針刺的碳母體纖維。碳母體通過對針刺的預(yù)成型料的熱處理得以轉(zhuǎn)換。
歐洲專利EP-A-0 489 637描述了制造用于加工預(yù)成型料的兩維纖維織物，該預(yù)成型料必須是由不連續(xù)的并且彼此平行的未加捻纖維(短纖)復(fù)合成的一種紗線形成的，紗線完整性是通過損失材料的包繞紗線來保證的。通過溶解或加熱清除包繞紗線以放開不連續(xù)纖維并且使之可以針刺，即使當(dāng)纖維處在碳狀態(tài)時也是這樣。而且，放開纖維可以使它們延伸進(jìn)入整個預(yù)成型料容積，從而使得在致密階段孔隙更容易且更均勻地接近基質(zhì)。這樣致密會更徹底和更均勻。
對于閘盤，纖維的材質(zhì)構(gòu)成了預(yù)成型料，用于加工預(yù)成型料的兩維織物的結(jié)構(gòu)，這些織物形成線網(wǎng)被連到了一起，尤其是針刺參數(shù)，致密前預(yù)成型料經(jīng)過的熱處理，基質(zhì)的性質(zhì)，致密模量，都顯著地影響盤的機(jī)械和摩擦性能。
尤其是在飛機(jī)制動的情況中，使用的盤不僅要具有能經(jīng)受住冷熱狀態(tài)下的應(yīng)力的機(jī)械性能，而且具有能使它們在不同環(huán)境中工作良好的摩擦性能，這些不同的環(huán)境包括滑行冷態(tài)時制動(起飛前跑道上滑行)，滑行熱態(tài)時制動(著陸后跑道上滑行)，在正常著陸過程中制動，以及緊急制動(在起飛跑道的盡端阻止起飛)。然而，在能量吸收更適中的應(yīng)用中，理想情況是，盤的摩擦表面能非常迅速地達(dá)到足夠的溫度，這樣，復(fù)合材料的導(dǎo)熱系數(shù)比飛機(jī)在緊急制動所需要的導(dǎo)熱系數(shù)更有限。
由申請人進(jìn)行的試驗(yàn)臺試驗(yàn)已經(jīng)證實(shí)，預(yù)成型料中纖維性質(zhì)對閘盤的性能影響很大，本發(fā)明的目的就是提供一種紗線，它尤其適合加工復(fù)合材料零件的纖維預(yù)成型料，但并不只是閘盤。本發(fā)明的進(jìn)一步目的是提供一種加工這種紗線的方法。
本發(fā)明的一個方面，用于加工復(fù)合材料零件的纖維預(yù)成型料的一種紗線包括不連續(xù)的平行纖維，這些纖維是無捻度的，并且通過包繞著纖維的損失材料的包繞紗線被握持在一起，其特征在于，該紗線是一種復(fù)合紗線，其中的纖維包括至少由兩種不同性質(zhì)纖維組成的相似的復(fù)合物。這兩種不同性質(zhì)的纖維是從以下物質(zhì)中選出來的，它們是聚丙烯腈基的碳纖維或碳母體纖維，各向異性樹脂基的碳纖維或碳母體纖維，各向同性基的碳纖維或碳母體纖維，酚醛基的碳纖維或碳母體纖維，纖維素基的碳纖維或碳母體纖維以及陶瓷纖維或陶瓷母體纖維，并且其特征在于，纖維的復(fù)合物包括碳纖維或碳母體纖維，在碳態(tài)下，它們包括重量至少占15％而且最好至少為30％的纖維復(fù)合物，構(gòu)成高強(qiáng)碳纖維，其抗拉強(qiáng)度，至少1500MPa，模量至少150GPa，最好至少是200GPa。
“碳纖維或碳母體纖維”這里指的是處于初始母體狀態(tài)的纖維，例如處在聚丙烯腈狀態(tài)或通過碳化完成母體轉(zhuǎn)換后處于碳態(tài)的纖維，或者處于初始母體狀態(tài)和碳態(tài)的中間狀態(tài)，例如預(yù)氧化(pre-oxidized)或半碳化(Semi-carbonized)的纖維。類似的，“陶瓷纖維或陶瓷母體纖維”指的是處于初始母體狀態(tài)或者在完成母體的轉(zhuǎn)換后處于陶瓷狀態(tài)的纖維，或者是處于初始母體狀態(tài)和陶瓷狀態(tài)的中間狀態(tài)，例如在半陶瓷化(Semi-ceramized)狀態(tài)的纖維。
具有不同性質(zhì)的纖維復(fù)合物使得纖維預(yù)成型料更好地用作復(fù)合材料零件。本發(fā)明的一個必要特征在于，復(fù)合作用不是通過使用不同性質(zhì)的紗線生產(chǎn)纖維預(yù)成型料來完成的，而是在組成紗線的纖維狀態(tài)，通過使用它們的一種緊密復(fù)合物完成的。
例如對于閘盤，纖維的緊密復(fù)合物指“第三體”，在整個表面上是均勻的并且最有效地融合了不同性質(zhì)纖維的各種性能，該“第三體”是摩擦過程中在不同摩擦表面的界面處產(chǎn)生的。
通過至少部分來自一種復(fù)合紗線形成一個兩維纖維織物，并通過疊置由纖維織物形成的線網(wǎng)，以及在清除包繞紗線后針刺疊置的線網(wǎng)，產(chǎn)生了一種用于復(fù)合材料零件的纖維預(yù)成型料。
在疊置前或者在疊置過程中，清除包繞紗線從而放置在每層線網(wǎng)后，能連續(xù)完成針刺，如前引述的FR-A-2 584 106所述。
當(dāng)用來生產(chǎn)纖維預(yù)成型料的復(fù)合紗線包括處于初始狀態(tài)的纖維或者是處于初始狀態(tài)和最后的碳或陶瓷狀態(tài)之間的中間狀態(tài)時，通過熱處理，纖維被轉(zhuǎn)換成了碳或陶瓷。在致密工藝前，加工針刺預(yù)成型料的任何階段，在復(fù)合紗線上，在完成的預(yù)成型料上，在任何中間階段都可以進(jìn)行熱處理。當(dāng)復(fù)合紗線為碳態(tài)的纖維時，針刺纖維預(yù)制成型料在高于1300℃，到2300℃的溫度下進(jìn)行熱處理。這種熱處理通過化學(xué)變化穩(wěn)定纖維，尤其是，通過消除剩余的氮穩(wěn)定了纖維的組分；通過結(jié)構(gòu)變化，即完善石墨平板到更大或更小的范圍；通過組織變化，即這些針布相對纖維軸線的定向以及這些針布和它們的轉(zhuǎn)曲相對纖維表面的設(shè)置，穩(wěn)定了纖維。熱處理最好是在大約1600℃進(jìn)行。
應(yīng)用高強(qiáng)度碳纖維提供了復(fù)合材料所需的機(jī)械性能。這些纖維的重量百分比最好不低于30％。
比較有利的情況是，纖維的復(fù)合物包括碳纖維或者碳母體纖維，它們在碳態(tài)下又包括重量至少占15％的纖維的復(fù)合物并構(gòu)成楊氏模量最大為100GPa的低模量纖維。低模量碳纖維選自酚醛母體碳纖維，各向同性樹脂母體碳纖維和纖維素母體碳纖維。
在碳態(tài)下，低模量碳纖維的重量百分比最好不低于30％。
對碳態(tài)的纖維而不是母體狀態(tài)的纖維進(jìn)行針刺時，正如申請人已證實(shí)的那樣，使用低模量碳纖維是有利的，這些纖維被優(yōu)選地并主要是通過織針被拉過疊置的線網(wǎng)。在它應(yīng)用到閘盤范圍內(nèi)，當(dāng)預(yù)成型線網(wǎng)平行于摩擦表面時，大量存在的低模量纖維直接垂直于摩擦表面，這意味著盤的橫向剛度不太高。這意味著當(dāng)這些表面不是幾何平面和平行，例如伴隨著不平整的磨損的時候，盤能產(chǎn)生足夠的彈性變形來保證整個摩擦表面，而不只是局部范圍內(nèi)的摩擦。
事實(shí)上，低模量碳纖維被織針移動，這可能產(chǎn)生另一情況，當(dāng)高模量碳纖維-如那些預(yù)氧化聚丙烯腈碳母體纖維或者那些各向異性樹脂碳母體纖維在不連續(xù)并且無捻度時，有斷裂的趨勢。當(dāng)高模量碳纖維的直徑更大時，這種情況就更明顯。這樣，當(dāng)復(fù)合紗線中高模量碳纖維直徑大于8μm，最好是大于10μm時，低模量碳纖維幾乎獨(dú)家選擇針刺。這樣就保證了纖維預(yù)成型料的較低的剛度和復(fù)合材料零件直接垂直于線網(wǎng)。
通過針刺優(yōu)選低模量碳纖維的更深一層的意義在于形成一種兩維纖維織物，其中復(fù)合紗線沿一個方向延伸并具有一定比例低模量碳纖維，并且使用一定取向的織針，選擇一定取向是為了可優(yōu)選地抓住該方向的復(fù)合紗線的纖維。
另一方面，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)如上所述的復(fù)合紗線的方法。
本發(fā)明提供了一種方法，具有以下步驟提供幾束連續(xù)長絲，每束長絲是由從下列物質(zhì)中選出的具有同樣性質(zhì)的長絲組成的，它們是聚丙烯腈基的碳或碳母體，各向異性樹脂基的碳或碳母體，各向同性樹脂基的碳或者碳母體，酚醛基的碳或碳母體，纖維素基的碳或碳母體；以及陶瓷或陶瓷母體；有控制地拉伸和分裂每個纖維束從而獲得彼此平行的不連續(xù)纖維；把彼此不同的至少兩束分裂纖維的纖維細(xì)致地復(fù)合起來，從而獲得一種復(fù)合紗線，其中復(fù)合的不連續(xù)纖維彼此平行并且沒有被加捻，該復(fù)合物包括碳纖維或碳母體纖維，它們在碳態(tài)下包括重量至少占15％的纖維的復(fù)合物，最好是至少為30％；并構(gòu)成了抗拉強(qiáng)度至少為1500MPa，最好至少為200MPa，和模量至少為150GPa，最好至少為200Gpa的高強(qiáng)度碳纖維；以及用一種損失材料包繞紗線把復(fù)合不連續(xù)纖維包繞起來以保證獲得復(fù)合紗線的整體性。
紗線束以細(xì)條形式存在是有利的，并且由至少兩條不同性質(zhì)的纖維條形成的纖維的緊密復(fù)合物受穿過針梳機(jī)的通道的影響。
從下面對幾個象征性的并且不是限制性的例子的描述，對本發(fā)明將會有更好的理解。


圖1是一個流程圖，它圖示了應(yīng)用由本發(fā)明的復(fù)合紗線形成的預(yù)成型料加工一種復(fù)合碳-碳材料的閘盤的方法；以及圖2是一個示意圖，圖示了一種針刺模式，它能優(yōu)選針刺纖維織物中某些紗線的組成纖維。
下面的例子涉及復(fù)合材料閘盤的加工，它構(gòu)成本發(fā)明的優(yōu)選的應(yīng)用領(lǐng)域，并且不是一個唯一的應(yīng)用。
在所有這些例子中，圖1所示的方法用來加工一種復(fù)合紗線，至少含一根復(fù)合紗線的一根或多根紗線來生產(chǎn)兩維纖維織物，用兩維纖維織物來加工纖維預(yù)成型料，并由此來生產(chǎn)出復(fù)合材料閘盤。
在本發(fā)明所敘述的術(shù)語中，復(fù)合紗線指的是由不同性質(zhì)的纖維構(gòu)成的一種紗線。
為生產(chǎn)復(fù)合紗線，使用了幾束絲束或細(xì)條形式的連續(xù)長絲，每束絲都是由相同性質(zhì)的長絲形成的，并且對應(yīng)于復(fù)合紗線的組分選擇不同性質(zhì)的絲束。根據(jù)絲束的直徑選擇不同絲束或者細(xì)條的長絲的數(shù)量，從而使得復(fù)合紗線中的纖維復(fù)合物重量占有合適的比例。
如上所述，復(fù)合紗包括碳纖維或者碳母體纖維；在碳態(tài)下，它們包括重量百分比至少為15％的纖維的復(fù)合物，最好至少為30％，并且組成了高強(qiáng)度纖維，如丙烯腈(PAN)母體碳纖維，或者各向異性樹脂母體碳纖維。進(jìn)一步，尤其是應(yīng)用到閘盤上，復(fù)合紗線最好包括碳纖維或碳母體纖維；在碳態(tài)下包括重量至少占15％的低模量碳纖維；最好至少占30％，這些低模量碳纖維如酚醛母體纖維，纖維素母體纖維或者各向同性樹脂母體纖維。
“高強(qiáng)度碳纖維”術(shù)語在這里指的是這樣一種碳纖維，其抗拉強(qiáng)度至少為1500MPa，較好至少是2000MPa，最好至少為2500MPa；模量至少為150GPa，較好至少為200GPa，最好至少為230GPa?！暗湍Ａ刻祭w維”術(shù)語指的是楊氏模量最大為100MPa，最好最大為70MPa的碳纖維。纖維不只是碳纖維，也可是陶瓷纖維，例如由必要成份碳化硅，氧化鋁，二氧化硅，硅酸鹽，硅鋁酸鹽等組成的纖維。
不同性質(zhì)的復(fù)絲細(xì)條或復(fù)絲束，例如兩細(xì)條10，10′，經(jīng)歷一個有控制的拉伸和分裂操作就轉(zhuǎn)變成了由彼此平行的不連續(xù)長絲形成的細(xì)條12，12′。有控制地拉伸和分裂復(fù)絲束的方法在FR-A-2 608 641中有描述。
分裂細(xì)條12，12′中的不同性質(zhì)的纖維被緊密地復(fù)合起來，形成由彼此平行且沒有加捻的不連續(xù)纖維構(gòu)成的單細(xì)條14，通過把分裂的細(xì)條12，12′穿過一個針梳機(jī)，即，使供給輥和拉伸輥之間的分裂細(xì)條12，12′中的一層纖維經(jīng)過一列梳針或脅片。這是紡織工業(yè)中的一個眾所周知的操作。
構(gòu)成細(xì)條14的纖維束的凝聚力是通過使用一種損失材料的包繞紗線16的包繞來保證的，從而可獲得彼此保持相互平行的不連續(xù)纖維，且沒有加捻的被包繞的復(fù)合紗線18(或復(fù)合包繞紗線)。構(gòu)成包繞紗線的“損失材料”這里指的是任何能被清除而不會在復(fù)合紗線上留下殘余物以及任何不會損壞紗線纖維的材料。例如，該損失材料可以是可溶性聚合物如聚乙烯醇(PVA)?；蛘咄ㄟ^熱處理能徹底清除的聚合物，如聚醋酸乙烯脂或聚乙烯。包繞作用使復(fù)合紗線具有經(jīng)歷紡織操作尤其是在織造中所需要的性能。使用已知的機(jī)器，如德國Spindelfabrike Suessen公司生產(chǎn)的“Parafil”機(jī)器。
通過織造被包繞的復(fù)合紗線18，形成了兩維織物20。特別地，通過針織或編織被包繞的復(fù)合紗線也可以形成其它織物，或者是通過疊置和輕針刺幾個單向針布，例如兩片或三片針布來形成織物，針布中紗線的方向就逐步地相互偏離開來。
一旦織物形成，包繞紗線就被清除。當(dāng)使用PVA紗線時，通過在水浴中水洗，排水及干燥來清除。如果包繞紗線是聚醋酸乙烯酯或聚乙烯，清除是通過熱處理來進(jìn)行的。
多層布20被疊置并被針刺起來以形成板22，該板的厚度大致與要生產(chǎn)的閘盤的厚度相對應(yīng)。清除包繞紗線使得復(fù)合紗線的纖維延伸進(jìn)入布中使之能被直接針刺起來。針刺是在布疊置起來時進(jìn)行的。每一新層都被針刺到墊層結(jié)構(gòu)上，同時保持恒定的針刺深度，當(dāng)定位并針刺完最后一層，能產(chǎn)生幾個完成的針刺通道，如FR-A-2 584 106所描述的那樣。
與閘盤尺寸近似的環(huán)形預(yù)成型料24是從針刺板22上切割產(chǎn)生的。
在化學(xué)蒸汽滲透爐中，通過裂解碳基質(zhì)采取已知的方式使預(yù)成型料24致密。
然后致密的預(yù)成型料26被加工成閘盤，該閘盤具有精密的地面摩擦表面和帶槽口的內(nèi)側(cè)或外側(cè)邊，該槽口用來與一個輪子或一個固定環(huán)的轉(zhuǎn)子28或定子30嚙合。
正如已經(jīng)指出的那樣，復(fù)合紗線可由碳纖維和任選的陶瓷纖維形成，或者是用碳母體纖維和任選的陶瓷母體纖維形成。在后一種情況下，纖維可由初始母體紡得，也可由處于初始狀態(tài)和碳或者陶瓷狀態(tài)之間的中間狀態(tài)獲得。這種中間狀態(tài)可以是預(yù)氧化狀態(tài)、或者半碳化態(tài)或者半陶瓷態(tài)。碳或陶瓷母體是通過熱處理而發(fā)生轉(zhuǎn)化，這是在形成針刺的預(yù)成型料以后形成的，例如在切割出針刺的塊22前或之后。當(dāng)切割出盤預(yù)成型料進(jìn)行熱處理時，必須考慮伴隨著母體轉(zhuǎn)變的收縮。當(dāng)復(fù)合紗線的纖維處于母體狀態(tài)時，為了避免不均勻的收縮量，必須仔細(xì)處理處于相同的母體狀態(tài)或是在相似狀態(tài)的纖維所構(gòu)成的紗線。
例1參照圖1所描述的操作方法，C-C復(fù)合材料閘盤是這樣生產(chǎn)出來的。
形成一種復(fù)合紗線，它包括重量占75％的PAN母體碳纖維，該纖維最初是來自Tenax銷售的商標(biāo)名為“Tenax HTA 5411”的一束12000長絲(12K)，以及重量百分比為25％的酚醛母體碳纖維，該纖維來自Kynol出售的一束2000(2K)長絲。PAN母體碳纖維的楊氏模量大約為230GPa，抗拉強(qiáng)度大約為2000MPa，而酚醛母體碳纖維的楊氏模量大約為60GPa，抗拉強(qiáng)度大約為700MPa。通過把范圍確定在低模量和高模量之間以及低強(qiáng)度和高強(qiáng)度之間，其數(shù)值大約為150GPa和1500MPa，可以發(fā)現(xiàn)，PAN母體纖維是高模量和高強(qiáng)度纖維，而酚醛母體纖維是低模量和低強(qiáng)度纖維。
有控制地拉伸和分裂絲束并緊密復(fù)合碳纖維之后所得的復(fù)合紗線被45分特的PVA包繞紗包繞起來。
通過織造被包繞的復(fù)合紗線產(chǎn)生了一種軋光的織造布。在80℃的水中清洗10分鐘，排水，干燥清除包繞紗之后，布的線網(wǎng)被疊置并針刺起來。裂解碳基質(zhì)通過化學(xué)蒸汽滲透致密得到的板被切割形成環(huán)形預(yù)成型料。
在最終機(jī)加工之后，獲得的兩閘盤進(jìn)行臺上試驗(yàn)，該試驗(yàn)包括盤與盤相互摩擦進(jìn)行模擬試驗(yàn)，依次是·相應(yīng)于“空中客車A300”型飛機(jī)的冷態(tài)地面滑行的5個制動周期；·1個正常的著陸周期；·相應(yīng)于熱態(tài)地面滑行的5個制動周期；以及·1個緊急制動周期。
通過測量厚度和重量損失可以確定盤的磨損，并測量在緊急制動(超過2500KJ/kg的高能量)過程中的摩擦系數(shù)。還要測定在中間能量(大約100KJ/kg到200KJ/kg)時的摩擦系數(shù)規(guī)律性。
例后列的表顯示了與參考值相比較的定性值，這些參考值是通過兩個按例1生產(chǎn)的制動盤進(jìn)行相同的臺上摩擦試驗(yàn)獲得的，只有一個例外，即，所使用的碳纖維不是復(fù)合紗線而是一種單一的PAN母體碳纖維(不是緊密復(fù)合纖維)形成的紗線，并且針刺的環(huán)形預(yù)成型料在致密以前經(jīng)歷了1600℃的熱處理。
例2使用例1的方法，但是在致密以前，環(huán)形閘盤預(yù)成型料經(jīng)歷了30分鐘的1600℃的真空熱處理。
通過消除剩余的氮，這種熱處理穩(wěn)定了預(yù)氧化PAN碳母體纖維從而穩(wěn)定了預(yù)成型料的化學(xué)性能和尺寸。
例3按例1的方法，使用了一種復(fù)合紗線，它包括重量占50％的PAN碳母體纖維和重量占50％的各向異性樹脂母體纖維；PAN碳母體纖維最初來自一種12K“Tenax HTA 5411”型絲束，各向異性樹脂碳母體纖維最初來自一種2K長絲束，該長絲束是由日本公司Nippon oil銷售的商標(biāo)名為“XNC15”。各向異性樹脂碳母體長絲的直徑為10μm，楊氏模量為160GPa，抗拉強(qiáng)度為2000MPa。
樹脂母體纖維的直徑是這樣的，以致于在實(shí)踐中，它們并不被攜帶而有可能在針刺中被織針弄斷，PAN母體纖維則必須被攜帶。
例4使用例3的方法，但是在致密前，環(huán)形閘盤預(yù)成型料要經(jīng)歷10分鐘1600℃的真空熱處理。這種熱處理穩(wěn)定了PAN碳母體纖維并提高了各向異性樹脂碳母體纖維的模量和強(qiáng)度。
例5按例4的方法，但是熱處理溫度提高到2200℃以進(jìn)一步提高樹脂母體纖維的模量。
例6按例3的方法，但是使用了商標(biāo)名為“NUP9 Eskainos”最初來自日本Nippon steel公司出售的一種2K長絲束，它是直徑為7μm的各向異性樹脂母體纖維。該長絲的楊氏模量為160GPa，并且抗拉強(qiáng)度為2500Mpa。
樹脂母體纖維的直徑允許它們在針刺過程中被織針攜帶。
例7按例6的方法，但是在致密前，同例4一樣，環(huán)形閘盤預(yù)成型料經(jīng)歷1600℃的真空熱處理。
例8按照例7的方法，但是熱處理溫度提高到2200℃。
例9按例1的方法，使用了一種復(fù)合紗線，它包括來自一種12K“TenaxHTA5411”型絲束的重量占85％的PAN碳母體纖維和重量占15％的由碳化硅組成的纖維，這種碳化硅中氧含量占總重量的12％。這種纖維的直徑為8μm，因此是可針刺的，它們是由日本UBE公司出售的商標(biāo)名為“Tyranno Lox M”，并且沒有上油。
例10按例9的方法，用碳化硅纖維取代了“Tyranno Lox M”纖維，這種碳化硅纖維帶有重量比為0.4％的剩余含氧量，它由日本Nippon公司出售，商標(biāo)名為“Nica1on”。這些纖維的直徑為14μm，因此實(shí)際不能被針刺。
例11使用例10的方法，但是在致密前，環(huán)形閘盤預(yù)成型料要經(jīng)歷30分鐘的1600℃的真空熱處理。這種熱處理穩(wěn)定碳纖維和碳化硅纖維，碳化硅中較低的含氧量使得這種穩(wěn)定得以實(shí)現(xiàn)。
例12按照例1的方法，使用一種復(fù)合紗線，它包括取自例6的重量占50％的各向異性樹脂碳母體纖維和重量占50％的取自例1的酚醛碳母體纖維。
例13使用例12的方法，但是在致密以前，環(huán)形閘盤預(yù)成型料要經(jīng)歷30分鐘1600℃的真空熱處理。這種處理提高了各向異性樹脂碳母體纖維的模量和強(qiáng)度。
例14使用例13的方法，但是熱處理溫度提高到2200℃，這進(jìn)一步提高了樹脂母體纖維的模量。
例15使用例3的方法，但是各向異性碳母體纖維被抗拉強(qiáng)度為800MPa，楊氏模量為60Gpa的纖維素碳母體纖維所代替。
表例 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15磨損2 2 1 2 1 1 2 1 2 2 1 3 2 1 1HE COF ＝ 2 1 1 ＝1 1 ＝2 2 3 1 1 2 -ME COF的規(guī)律1＝＝＝＝＝＝＝1 2 2 1＝＝ 3在表中HE COF＝高能量摩擦系數(shù)ME COF＝中間能量摩擦系數(shù)關(guān)于磨損·符號＝表示相對參考值±大約10％的磨損；·符號1表示減少10％到20％的磨損值；·符號2表示減少20％到30％的磨損值；·符號3表示減少了超過30％的磨損值；關(guān)于摩擦系數(shù)·符號-表示相對參考值降低5％到10％；·符號＝表示±大約5％的數(shù)值；·符號1表示增加5％到10％；·符號2表示增加10％到15％；以及·符號3表示增加值超過了15％。
在上述例子中，全部使用單一復(fù)合紗線來加工兩維纖維織物，該兩維纖維織物再用來生產(chǎn)預(yù)成型料。
當(dāng)然，可以使用不同的復(fù)合紗線，例如在織造布中，使用第一種復(fù)合紗線作為經(jīng)紗而其它紗線作為緯紗，或者在單向疊置針布中，第一層針布使用第一種復(fù)合紗線而其它的針布使用另外的紗線。可以設(shè)想，在布或者單向針布中，在一個方向使用一種復(fù)合紗線而另一個方向使用另一種復(fù)合紗線。
在兩維纖維織物中兩個方向上使用不同的紗線意味著可以通過選擇織針的取向來選擇被針刺攜帶的纖維。
這樣，如示意簡圖2所示，帶平行于布20的緯紗18a的叉32a平面的叉形針刺實(shí)際上不會提升緯紗中的纖維，而幾乎只提升經(jīng)紗18b中的纖維。理想情況下，被針刺攜帶的纖維具有某種特別的性能，因?yàn)樯鲜鲈蛟陂l盤中的具有低模量的纖維，只需要經(jīng)紗18b包括相對較高比例的直徑不太大的纖維即可。如果選出的用于經(jīng)紗的其它纖維的直徑足夠大，使它們不被針刺的話，那么只有這些纖維被攜帶。如果倒刺在同樣的平面上，那么使用倒刺針也可以獲得類似的效果。
權(quán)利要求
1.一種用于加工復(fù)合零件的纖維預(yù)成型料的紗線，該紗線包括不連續(xù)的平行纖維，這些纖維是沒有被加捻的，并且被包繞著纖維的損失材料的包繞紗線握持在一起；其特征在于所述紗線是一種復(fù)合紗線，其中纖維包括從以下纖維中選出的至少兩種不同性質(zhì)的纖維的一種緊密復(fù)合物；這些纖維是預(yù)氧化的聚丙烯腈基的碳纖維或碳母體纖維，各向異性樹脂基的碳纖維或碳母體纖維，酚醛基的碳纖維或碳母體纖維，纖維素基的碳纖維或碳母體纖維，以及陶瓷纖維或者陶瓷母體纖維；并且還在于纖維復(fù)合物包括碳纖維或碳母體纖維，這些纖維在碳態(tài)下，包括重量至少占15％的纖維的復(fù)合物并且構(gòu)成抗拉強(qiáng)度至少為1500MPa，模量至少為150Gpa的高強(qiáng)碳纖維。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種紗線，其特征在于處在碳態(tài)的纖維是高強(qiáng)度纖維，并且是從聚丙烯腈母體和各向異性樹脂母體基的纖維中選出的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種紗線，其特征在于纖維復(fù)合物包括碳纖維或碳母體纖維，這些纖維在碳態(tài)下是高強(qiáng)度碳纖維，并且包括重量至少占30％的纖維復(fù)合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中的任何一個所述的一種紗線，其特征在于在碳態(tài)下，高強(qiáng)度纖維的抗拉強(qiáng)度至少為2000Mpa。
5.根據(jù)權(quán)利要求1到4中的任何一個所述的一種紗線，其特征在于在碳態(tài)下，高強(qiáng)度纖維的模量至少為200Gpa。
6.根據(jù)權(quán)利要求1到5中的任何一個所述的一種紗線，其特征在于纖維的復(fù)合物包括碳纖維或碳母體纖維，這些纖維在碳態(tài)下，包括重量至少占15％的纖維的復(fù)合物，并且構(gòu)成了楊氏模量最大為100GPa的低模量碳纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種紗線，其特征在于在碳態(tài)下，低模量碳纖維包括重量至少占30％的纖維復(fù)合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的任何一種紗線，其特征在于纖維在碳態(tài)下是低模量碳纖維，并且是從酚醛母體纖維，各向同性樹脂母體纖維和纖維素母體纖維選出的。
9.根據(jù)權(quán)利要求1到8中的任何一個所述的一種紗線，其特征在于陶瓷纖維或陶瓷母體纖維是陶瓷狀態(tài)的碳化硅纖維。
10.加工復(fù)合材料零件的纖維預(yù)成型料的一個方法，包括以下幾個步驟提供一種包括平行不連續(xù)纖維的紗線，該紗線是設(shè)有加捻的并被包繞著纖維的損失材料的包繞紗線所握持；·用所述紗線形成一種兩維纖維織物；·疊置用所述的纖維織物形成的線網(wǎng)；·清除包繞紗線；以及·針刺疊置的線網(wǎng)，通過從紗線中拉出的纖維穿過一系列疊置的線網(wǎng)把它們彼此連接起來，其特征在于，至少部分兩維纖維織物是由根據(jù)權(quán)利要求1到9中的任何一個所述的一種復(fù)合紗線形成的。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種方法，其特征在于針刺的預(yù)成型料在超過1300℃的溫度下進(jìn)行熱處理。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的一種方法，其特征在于針刺的預(yù)成型料在大約1600℃的溫度下進(jìn)行熱處理。
13.根據(jù)權(quán)利要求10到12中的任何一個所述的一種方法用來加工復(fù)合材料摩擦盤的纖維預(yù)成型料，其特征在于所述線網(wǎng)平行于盤的摩擦表面。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的一種方法，其特征在于至少一部分兩維纖維織物是由低模量碳纖維的一種復(fù)合紗線形成的，該纖維的揚(yáng)氏模量最大為100GPa，并且復(fù)合紗線的組成纖維的直徑和/或針刺過程中織針的定向都被選定，從而在針刺過程中能優(yōu)選地?cái)y帶低模量碳纖維。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的一種方法，其特征在于使用了一種包含高模量碳纖維的復(fù)合紗線，纖維的楊氏模量至少為150GPa，直徑至少為8μm。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的一種方法，其特征在于兩維纖維織物是由至少沿兩個方向延伸的紗線形成的，并且沿第一個方向取向的紗線包括一種纖維的復(fù)合物，該纖維包含楊氏模量最大為100GPa的低模量碳纖維；并且在于針刺是使用一定取向的織針來進(jìn)行的，選擇織針取向是為了使它們優(yōu)選地抓住沿第一方向取向的紗線纖維。
17.用于復(fù)合材料零件的一種纖維預(yù)成型料，它包括疊置的兩維纖維織物，通過從纖維織物中拉出的纖維彼此互連且相對線網(wǎng)橫向延伸，其特征在于組成纖維織物的纖維包括一種至少是由兩種不同性質(zhì)的纖維組成的緊密復(fù)合物，這兩種不同性質(zhì)的纖維選自具有一種預(yù)氧化聚丙烯腈母體的碳纖維，具有一種各向異性樹脂母體的碳纖維，具有一種各向同性樹脂母體的碳母體，具有一種酚醛母體的碳纖維，具有一種粘膠纖維和陶瓷纖維的碳纖維，并且纖維復(fù)合物包括重量至少占15％的高強(qiáng)度碳纖維，其抗拉強(qiáng)度至少為1500MPa，模量至少為150Gpa。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的一種預(yù)成型料，其特征在于高強(qiáng)度碳纖維的抗拉強(qiáng)度至少為2000Mpa。
19.根據(jù)權(quán)利要求17或18所述的一種預(yù)成型料，其特征在于高強(qiáng)度碳纖維的模量至少為200Gpa。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的一種預(yù)成型料，其特征在于纖維復(fù)合物包括重量至少占15％的低模量碳纖維，其楊氏模量最大為100Gpa。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的一種預(yù)成型料，其特征在于從纖維織物中拉出的并且相對線網(wǎng)橫向延伸的纖維主要是最大楊氏模量為100Gpa的低模量碳纖維。
22.根據(jù)權(quán)利要求1到9中任何一個所述的紗線的加工方法，其特征在于它包括以下幾個步驟·提供幾束連續(xù)長絲，每束都是由相同性質(zhì)的長絲構(gòu)成的，這些長絲選自一種聚丙烯腈基的碳或碳母體，一種各向異性樹脂基的碳或碳母體，一種各向同性樹脂基的碳或碳母體，一種酚醛基的碳或碳母體，一種纖維素基的碳或者碳母體或者一種陶瓷或者陶瓷母體；·對每束纖維進(jìn)行有控制地拉伸與分裂以獲得不連續(xù)的平行纖維；·緊密復(fù)合至少兩束彼此性質(zhì)不同的分裂了的纖維，以獲得一種復(fù)合紗線，其中復(fù)合的不連續(xù)纖維彼此平行并且不加捻，該復(fù)合物包括碳纖維或者碳母體纖維，這些纖維在碳態(tài)下包括重量至少占15％的纖維的復(fù)合物，并且構(gòu)成了抗拉強(qiáng)度至少為1500MPa，模量至少為150GPa的高強(qiáng)度碳纖維，以及·用損失材料的包繞紗線包繞不連續(xù)復(fù)合纖維從而保證獲得復(fù)合紗線的完整性。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的一種方法，其特征在于纖維的緊密復(fù)合物是通過把分裂纖維束穿過針梳機(jī)生產(chǎn)的。
24.根據(jù)權(quán)利標(biāo)22或23所述的一種方法，其特征在于纖維在碳態(tài)下是從預(yù)氧化聚丙烯腈母體纖維和各向異性樹脂母體纖維中選出的高強(qiáng)度纖維。
25.根據(jù)權(quán)利要求22到24中任何一個所述的一種方法，其特征在于纖維復(fù)合物包括碳纖維或者碳母體纖維，碳纖維或碳母體纖維在碳態(tài)下包括重量至少占30％的纖維復(fù)合物并且構(gòu)成高強(qiáng)度碳纖維。
26.根據(jù)權(quán)利要求22到25中任何一個所述的一種方法，其特征在于纖維復(fù)合物包括碳纖維或碳母體纖維，在碳態(tài)下，包括重量至少占15％的纖維的復(fù)合物并且構(gòu)成了楊氏模量最大為100GPa的低模量碳纖維。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的一種方法，其特征在于纖維的復(fù)合物包括碳纖維或者碳母體纖維，碳纖維或者碳母體纖維在碳態(tài)下包括重量至少占30％的纖維的復(fù)合物并構(gòu)成低模量碳纖維。
28.根據(jù)權(quán)利要求26或27所述的一種方法，其特征在于纖維在碳態(tài)下是低模量碳纖維，并選自酚醛母體纖維，各向同性樹脂碳母體纖維和纖維素母體纖維。
29.根據(jù)權(quán)利標(biāo)22到28中任何一個所述的一種方法，其特征在于陶瓷纖維或者陶瓷母體纖維在陶瓷狀態(tài)下是碳化硅纖維。
全文摘要
一種紗線,由不連續(xù)平行纖維形成;這些纖維不加捻,且被包繞著纖維的損失材料的包繞紗線握持在一起。所述的纖維包括一種至少由兩種不同性質(zhì)的纖維 組成的緊密復(fù)合物,這兩種不同性質(zhì)的纖維選自碳纖維或者預(yù)氧化聚丙烯腈基的碳母體纖維,或者各向異性或各向同性樹脂基的碳母體纖維,或者酚醛或纖維素基的碳母體纖維,以及陶瓷纖維或者陶瓷母體纖維。纖維的復(fù)合物在它的碳態(tài)下包括重量至少占15%的高強(qiáng)度纖維,這種高強(qiáng)度纖維的抗拉強(qiáng)度至少為1500MPa并且模量至少為150Mpa,還包括重量至少占15%的楊氏模量最大為100GPa的纖維。
文檔編號F16D65/12GK1189862SQ9619514
公開日1998年8月5日 申請日期1996年5月20日 優(yōu)先權(quán)日1995年5月24日
發(fā)明者皮埃爾·奧爾里, 多米尼克·庫佩, 勒諾·迪瓦爾, 阿米納·澤杜克 申請人:推進(jìn)歐洲公司