促進致密碳纖維預制件中的瀝青穩定的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明描述了用于處理含有致密劑的多孔預制件的技術。
【背景技術】
[0002]碳纖維增強碳材料，也被稱為碳-碳(C-C)材料，是通常包括在碳材料基體中增強的碳纖維的復合材料。碳-碳復合材料在很多嚴峻、高溫應用中找到。例如，已知航空航天工業采用碳-碳復合材料用于制造不同的飛行器結構部件。用在碳-碳復合材料中的碳纖維可以構造成限定出所得結構部件的形狀，并且因此可以稱作預制件。預制件可以經歷不同的處理步驟以增大預制件的碳含量和密度，將預制件變換成碳-碳復合部件。例如，使用一個或多個瀝青(pitch)致密處理，碳可以被加到預制件中。通常，瀝青致密處理操作成使碳纖維預制件浸漬有瀝青，隨后冷卻固化制成密實高含碳量的碳-碳部件。多孔預制件可以使用多個致密處理中的一個被致密，例如，化學氣相沉積/化學氣相滲透(CVD/CVI)、真空壓力滲透(VPI)、高壓浸漬/碳化(PIC)或樹脂傳遞模塑(RTM)，這可以引入碳或碳母體到多孔預制件中。

【發明內容】

[0003]總體上，本發明涉及用于致密多孔預制件和形成碳化預制件的技術。在一個示例中，本發明專注于一種技術，其包括滲透致密劑到部分致密預制件的多個氣孔的至少一些氣孔中以形成滲透預制件，并且在滲透預制件的致密劑中至少部分地形成多個通道，從而，該多個通道的每一個通道通向該滲透預制件的至少一個外表面。該示例技術進一步地包括至少部分地穩定至少致密劑以形成至少部分穩定的預制件，通過在第一溫度下至少加熱包含該多個通道的該滲透預制件并且將包含該多個通道的滲透預制件暴露于氧化劑以穩定至少致密劑并且形成至少部分穩定的預制件。該示例技術還包括在第二溫度下加熱該至少部分穩定的預制件以至少碳化該穩定致密劑以形成碳化預制件。
[0004]在另一示例中，本發明專注于一種技術，其包括滲透致密劑到部分致密預制件的多個氣孔的至少一些氣孔中以形成滲透預制件，并且在滲透預制件的致密劑中至少部分地形成多個通道，從而使該多個通道的每一個通道通向該滲透預制件的至少一個外表面。這個示例技術進一步地包括至少部分地穩定至少致密劑以形成至少部分穩定的預制件，通過在第一溫度下至少加熱包含該多個通道的滲透預制件并且將包含該多個通道的滲透預制件暴露于氧化劑以穩定至少致密劑并且形成至少部分穩定的預制件。這個示例技術還包括在第二溫度下加熱該至少部分穩定的預制件以碳化至少該穩定致密劑以形成碳化預制件。
[0005]本發明還描述了一個示例部分致密預制件，其包括多個纖維、多個通道和致密劑，在多個纖維之間限定出多個氣孔，該多個通道的每一個通道通向部分致密預制件的至少一個外表面，該致密劑布置在該多個氣孔的至少一些氣孔中和該多個通道的至少一些通道中。
[0006]在下面的附圖和描述中闡述本發明的一個或多個示例的詳細內容。本發明的其它特征、目標和優點通過這個描述和附圖并且通過權利要求將變得顯而易見。
【附圖說明】
[0007]圖1是流程圖，示出根據本發明的形成碳化預制件的示例技術。
[0008]圖2是示例多孔預制件的立體圖。
[0009]圖3是圖2的示例多孔預制件的橫向剖視圖。
[0010]圖4是示例部分致密預制件的橫向剖視圖。
[0011]圖5是含有多個通道的示例部分致密預制件的橫向剖視圖。
[0012]圖6是含有多個通道的示例部分致密預制件的橫向剖視圖，該多個通道滲透有致密劑。
[0013]圖7是示例至少部分穩定預制件的橫向剖視圖。
[0014]圖8是流程圖，示出根據本發明的形成碳化預制件的另一示例技術。
【具體實施方式】
[0015]對于具有大尺寸的預制件，例如，含有摩擦材料的碳-碳飛行器制動盤預制件，在瀝青致密預制件的處理期間瀝青氧穩定能夠花費數個星期，因為瀝青的緊密孔隙度會阻止氧擴散到預制件的中央區域。在一些示例中，當認為完成了瀝青穩定時，還沒有完全穩定的瀝青仍然困在預制件的中央區域并且在后續處理步驟(包括瀝青的高溫碳化)期間可能滲漏。
[0016]本發明提供技術，包括在部分致密預制件中形成通道，其可以促進更多氣體注入通過該部分致密預制件。在一些示例中，在部分致密預制件中形成通道還允許部分致密預制件處理期間產生的氣體或其它揮發物出去。例如，碳化預制件中的穩定瀝青或瀝青從固體向熔化相的相變會在部分致密預制件中產生壓力。這個壓力會損害部分致密預制件，包括線性裂縫。增加通道到預制件的孔隙度可以促進氣體和揮發物以更大的擴散速度進入和離開預制件和部分致密預制件的中央區域(例如內容積)。
[0017]在一些示例中，通道可以減少滲透在預制件或部分致密預制件中的致密劑例如瀝青的氧化穩定所需的時間，可以增大穩定的致密劑的量，或這兩者。通過改善致密劑穩定，本發明的技術還可以降低在隨后的高溫爐處理例如碳化期間致密劑從致密碳-碳預制件泄漏的可能性。瀝青在熔爐中在高溫下從預制件泄漏會引起致密碳-碳復合預制件中的裂縫，這降低或消除了其作為復合成品的有效性。
[0018]圖1是流程圖，示出根據本發明的形成碳化預制件的示例技術。將參照圖2-7的概念圖描述圖1的技術，它們示出了在圖1的技術期間多孔預制件20在不同步驟的不同視圖。雖然在圖2-7中描述了示例多孔預制件，但是，圖1的技術能夠用于其它類型的預制件(例如，其他形狀和/或材料復合物)，并且能夠用于形成具有不同形狀或材料復合物的部分致密預制件和致密復合材料。
[0019]圖1的技術可以包括部分地致密多孔預制件20以形成部分致密預制件40 (1)0例如，多孔預制件20(例如多孔碳纖維預制件)，如圖2和3中所示，可以部分地致密，使用化學氣相沉淀(CVD)或化學氣相滲透(CVI)以形成部分致密預制件40 (見圖4)。多孔預制件20可以包括多個纖維或其它材料，例如碳基纖維、碳纖維母體纖維、非碳基纖維或它們的混合物。在一些示例中，纖維可以是紡織或無紡分層材料。纖維還可以是被編織或混合在一起形成片。纖維或片材的多個不同層可以相互堆疊在另一個的頂部上，例如，形式為將被處理變成碳-碳復合部分的部分。在一些示例中，多個不同層的編織或混合纖維(或者，在一些示例中，其他材料)可以成型、針刺和/或以其它方式機械地連接在一起以限定出多孔預制件20。
[0020]圖2是示例多孔預制件20的立體圖。如圖2所示，多孔預制件20可以具有大致圓盤形幾何結構，從而，由多孔預制件20形成的碳-碳復合材料可以是大致圓盤形，例如，用作制動盤。在其它示例中，多孔預制件20可以限定出不同的幾何結構。例如，多孔預制件20的幾何結構可以類似于或大體上相同于由碳-碳復合材料形成的成品的期望幾何結構。多孔預制件20包括圓盤形多孔體22，帶有貫穿圓盤形多孔體22的軸向厚度的中央孔24。在一些示例中，多孔預制件20具有在孔24處的內徑ID、在外緣表面26處的外徑0D和軸向厚度T，軸向厚度的測量是在大體上垂直于測量內徑ID和外徑0D的方向的方向上。
[0021]圓盤形多孔體22限定出中央或內部部分25，在一些示例中，其在外緣表面26與孔24之間是大致等距的，并且在圓盤形多孔體22的頂面與底面之間是大致等距的。如本發明使用的，術語"內部部分"25可以大體上指的是本發明的任一示例預制件的預制件主體22內的幾何居中區域，其中，該內部部分具有的體積是多孔預制件20的總體積的預定百分比，例如，在多孔預制件20的體積的約15%與約50%之間，例如，在多孔預制件20的體積的約20%與約30%之間。例如，內部部分38示為相對于圖3中的多孔預制件，圖4和5中的部分致密預制件40，圖6中的滲透預制件50和圖7中的至少部分穩定預制件60。
[0022]作為一個示例，對于大體環形預制件，例如圖2中示出的示例多孔預制件20，預制件主體22的幾何中心可以大體上是一個環，其在預制件主體22內大致沿軸向居中，例如，在厚度T內