专利名称：具有长丝化复合纤维基材的碳－碳零件及其制造方法
背景技术：
本发明一般涉及碳-碳基材及使用该基材制造零件的方法，特别是，本发明涉及长丝化复合纤维基材及使用该基材制造碳-碳零件的方法。
飞机或汽车的刹车片需要具有高耐热性与长期耐磨性的材料。就某些应用而言，由于其高耐热性之故而使用石棉。除了石棉外，还可以使用碳，尽管常规的碳-碳刹车产品是昂贵的，而且在历史上局限于在航空与航天或汽车竞赛方面应用。
一般说，碳纤维或碳前体的基材可被用来生产例如用于飞机刹车系统的具有足够高耐热性值的常规碳-碳零件。这些常规零件需要复杂而耗时的加工过程来生产具有足够碳的零件以提供必不可少的高温特性。这些常规碳-碳零件是昂贵的，因为其制造过程太复杂。有许多不同类型的基材被用来制造包括不连续的碳纤维化合物、无织空气层碳纤维基材、织造碳纤维基材、或编织碳纤维基材的常规碳-碳零件。
为了由可采用的碳纤维基材生产常规碳-碳零件，例如飞机的刹车片，许多的碳纤维基材是可以得到的。可以将这些基材的一层堆叠在另一层的上面到所需的厚度，然后可将堆叠的基材如现有技术中所知那样地针刺在一起，通过交缠各层基材之间的碳纤维进行连接或压固。这种基材的压固产生料坯。然后可将料坯分批碳化，在碳化时将料坯放置在800～1100℃的炉中来碳化基材纤维并增加料坯的碳含量。接着，由于碳化所引起的收缩之故，碳化的料坯可被模切而得到希望的形状。然后通过使用化学蒸气沉积(CVD)法使这些料坯具有被沉积于料坯的碳纤维上的额外碳原子。在CVD法中，料坯被放置在真空室中，并将载碳气体诸如甲烷导入到真空室中，在其中当温度升高时会释放出沉积/渗透到料坯中的碳原子。CVD法会增加料坯的碳含量与密度。然后可对料坯进行热处理而使碳原子再取向到在能量上更有利的形态，如果需要还可进行机械加工，然后用抗氧剂处理而形成成品碳-碳零件。
常规的预成型法如上所述，常规碳-碳零件具有许多问题。第一，批量碳化法慢而费时，需几小时或几天，这增加了零件的成本。第二，由常规基材制成的批量碳化料坯具有有限量的有价值的碳纤维表面积，以致在CVD加工期间产生的极少碳原子能被沉积/渗透到料坯中。在CVD加工期间获得极少量碳原子，可能需要另外的CVD加工步骤与表面研磨步骤以达到希望的密度。第三，为了增大操作性能而将化学品或材料添加剂加到料坯之中，但由于这种添加加工的性质之故，这种添加加工是很困难的，因为添加剂可能仅在压固步骤后被添加到料坯中。第四，在成型与模切加工中被除掉的任何材料不能被再利用，因为迄今为止还没有将这些边角料返回到料坯制造过程中的方法。因此，由于上述四个问题之故使用常规料坯加工过程所生产的碳-碳零件一般是太昂贵而无法在大多数应用中使用。
另一种常规基材使用合适的粘结剂浸渍过的碳纤维，然后可在热与压力下对此浸渍过的基材进行压缩而形成近似网形的料坯。然后将此料坯分批碳化，通过将粘结剂凝聚成碳而对粘结剂进行焦化。粘结剂可以是用马来酸催化的液体糠醇聚合物。为了焦化粘结剂，要求对基材再次进行分批碳化。还有一种用于碳纤维的碳-碳零件的基材可以是氧化的聚丙烯腈(PAN)纤维，然后所说的聚丙烯腈(PAN)纤维可被碳化而形成碳料坯，然后可对所说的碳料坯进行化学蒸气沉积(CVD)处理。此基材还需经受碳化步骤。
在这些生产碳-碳零件用的常规材料中，没有一种材料是有可能消除分批碳化步骤的，分批碳化步骤增加成品件的成本。此外，没有一种常规材料能提供足够的表面积而使有可能在CVD处理期间达到有效的增浓率。常规材料还不能提供回收基材的边角料再用于料坯加工中的方法。因此，常规碳-碳零件是太昂贵以致不能在大多数常规的工业应用中使用。
于是，存在一种对能避免已知基材、方法与碳-碳零件的这样与那样问题的复合材料基材和使用所说的基材生产碳-碳零件方法的需求，并且这正是本发明的目的。
发明概述本发明提供一种具有许多通过粘结剂而被保持在一起的长丝化碳纤维的复合材料基材，本发明的基材提供优于常规碳基材的改进的加工性。由于以下的几个原因使用该长丝化复合材料基材生产的零件之成本被降低，它们包括长丝、原有碳、在基材中具有更多被暴露的表面积，以致只需要极少的纤维就能达到相同的增浓量而每种成品件需用较少的基材。此外，在加工过程中产生的基材的任何边角料都能被容易地再循环到基材制造过程中。用于长丝化复合材料基材的碳化碳纤维有可能消除通常与常规基材相伴的使用批量碳化步骤。由于具有比常规基材高的表面积之故，在化学蒸气沉积(CVD)过程中，较高百分比的碳原子被附着到长丝，从而减少了生产具有希望密度的零件所需要的时间。用于基材中的粘结剂在CVD过程中能被方便地除掉的，从而使批量碳化步骤成为并不是必不可少的。成本的降低使由长丝化复合基材制造的零件适用于常规的工业应用。
本发明还提供一种作为料坯的基材，它能够具有许多通过粘结剂化合物而被保持在一起的不连续的纤维、原有碳，其中在CVD加工期间粘结剂化合物能被方便地去掉。因此，在CVD加工之前粘结剂化合物能将碳纤维保持在适当位置，然后它可在CVD加工期间被蒸发并被碳原子所取代。
本发明还提供一种能使用纸法来生产的基材，在所说的纸法中纤维、原有碳、与粘结剂可以被混合在一起而形成可在制造碳-碳零件中使用的基材。生产长丝化复合基材的方法使有可能通过造纸方法而将另外的化学品或材料方便地添加到基材中，以增强基材及由其制造的碳-碳零件的各种特性，例如其硬度、磨擦系数、或抗氧化性。在本发明的另一种实施方式中，完全长丝化复合材料基材可以含有通过预浸法而被添加到基材中的树脂以便增加磨擦/磨耗值。此同样的树脂还能被用作载体，例如高固含量溶液，以便将专门的添加剂分散到长丝化复合材料基材中来增大基材与由此基材制成的碳-碳零件的其他性质。在本发明的另一种实施方式中，一般说，碳-碳零件的料坯具有大于各别的长丝化复合材料基材片厚度的厚度，因此，料坯可由许多长丝化复合材料片基材组成。此多重性构成了多层结构而达到所希望的料坯厚度。于是，长丝化复合材料基材提供通过改变被用来制造料坯的各别长丝化复合材料基材的性质来方便地改造料坯在整个厚度上的性质的机会。作为一个例子，料坯内层基材的树脂含量可以高于其外层基材的含量以增加料坯的内部密度，从而导致大大地减少化学蒸气沉积(CVD)过程的时间。
于是，根据本发明，具有长丝化复合材料基材的碳-碳零件具有许多不连续的长丝、原有碳、和将所说的长丝粘合在一起而形成基材的粘合剂的基材，所说的许多基材被压固而形成料坯，在预定的温度与压力下许多碳原子被沉积在长丝上而使所说的粘结剂从所说的长丝上被完全除掉并被所说的碳原子所取代而形成致密的碳-碳零件。
本发明还提供一种生产碳-碳零件的方法，该方法包括生产基材，该基材包含许多不连续的长丝、原有碳、和将所说的长丝粘合在一起而形成基材的粘合剂，通过压固所说的基材生产料坯，通过在预定的温度与压力下的化学蒸气沉积(CVD)将碳原子沉积到长丝上，以使所说的碳原子取代在所说的料坯中的所说的粘结剂，和所说的碳原子使料坯密化而形成碳-碳零件。
附图简介
图1为说明生产碳-碳零件的常规方法的示意图；图2为形成料坯的常规方法的示意图；图3为说明根据本发明用长丝化复合材料基材生产碳-碳零件的整个过程的流程图；图4为说明产生本发明的复合材料纸方法的示意图，该方法系图3中所示的整个过程的一部分；图5为说明生产本发明的长丝化复合材料料坯方法的第一种实施方式的示意图，该方法系图3中所示的整个过程的一部分；图6为说明生产本发明的长丝化复合材料料坯方法的第二种实施方式的示意图，该方法系图3中所示的整个过程的一部分；图7为说明生产本发明的料坯方法的第三种实施方式的示意图；图8为说明生产本发明的料坯方法的第四种实施方式的示意图；图9为说明生产本发明的料坯方法的第五种实施方式的示意图；图10为在化学蒸气沉积(CVD)步骤前用本发明的长丝化复合材料基材制成的压制碳-碳料坯剖面的显微照片；图11为在CVD步骤后本发明的压制碳-碳零件剖面的显微照片；图12为在CVD步骤后用本发明的长丝化复合材料基材制成的压制碳-碳零件表面的显微照片；图13为被来自CVD过程的碳原子所涂覆的碳长丝的特写显微照片；
图14为显示在CVD步骤后通过针刺碳纤维而从X-Y方向到Z方向重新取向的碳-碳零件剖面的显微照片；图15为在CVD加工步骤后本发明的针刺的碳-碳零件表面的显微照片。
优选实施方式的详细说明本发明特别适用于使用长丝化复合基材生产用于磨擦应用的碳-碳零件。将就此方面对本发明进行描述。然而，应该理解，本发明的体系与方法具有更大的实用性。为了更好地了解本发明，应对常规碳纤维基材与生产碳-碳零件的常规方法进行简要的说明。
图1为说明生产碳-碳零件诸如飞机制动系统用的刹车片的常规方法20的示意图。在第一步骤22中，可以获得许多市售的碳纤维基材。在步骤24中，可将一层基材堆叠在另一层基材之上到所希望的厚度。然后可将堆叠的基材如现有技术中所知那样地针刺，使来自从一特定的基材层到另一基材层的某些纤维再取向，以致使基材内与基材间的某些纤维在整个Z平面方向上成为相互交缠的。被堆叠基材中的纤维相互交缠在一起并使所得到料坯的层间强度增加。由于在分批碳化期间所可能出现的收缩之故，料坯必须被设计成比标准尺寸要大些。接着在步骤26中，可将料坯在炉中在非氧化的气氛下分批碳化几个小时到几天的时间，碳化温度为800～1100℃。在碳化过程期间发生料坯材料的缩合而引起料坯稍微收缩并且所得到的碳化料坯可在步骤28中被模切到希望的尺寸。
在步骤30中现可将碳化料坯增密，其中可将碳原子充填到碳纤维间的空体积中以增加零件的密度。通常，为了添加碳原子可以使用化学蒸气沉积(VCD)法，其中碳化零件被放置在加热的真空室中，并将含碳气体例如甲烷引入到该室中而使来自甲烷的碳原子渗透到料坯。然而，由成束纤维长丝组成的常规料坯可能具有有限量的在其上沉积碳原子的碳纤维表面积，这可能会减少压实率。含有成束的纤维长丝与具有不均匀的细孔口的常规料坯可能易于产生表面阻塞，从而要求在进行额外的化学蒸气沉积(CVD)加工后对表面进行研磨。
一旦在步骤32中已达到所希望的压实度之后，可对致密的零件进行热处理，使碳原子基体重新取向能量上更合适的构型。接着，在步骤34中，对碳-碳零件进行机加工至所希望的最终尺寸。最后，在步骤36中，可在被暴露的零件表面上增添抗氧化层。该抗氧化层被用来防止碳-碳零件表面的氧化。
图2为形成料坯常规方法的示意图。将许多在织造或不连续的切短丝束上的成束长丝基材的毡片60通过针刺机62的针刺，而将来自每一层基材的长丝交缠在一起。零件切刀64能从多层毡片中切出圆形零件。零件模切的结果是许多圆形零件66与大量不能被方便地回收的边角料68。成品料坯70被示于该图中。
图3是由本发明的长丝化复合基材生产碳-碳零件的整个过程的流程图。在第一步骤102中，复合材料纸基材是根据本发明生产的。该复合材料纸基材在下文中被称为长丝化复合(FC)基材。FC基材可具有许多不连续的纤维、原有碳例如被醇基粘结剂粘结的、具有无规取向的聚丙烯腈(PAN)基碳纤维和/或沥清基碳纤维。醇基粘结剂，如下文中所述，可具有足够低的闪点以致该醇基粘结剂在CVD加工期间能被方便地从碳长丝中除掉。此外，可将树脂与材料添加剂加到FC基材来增大成品碳-碳零件的某些特性。生产FC基材与FC基材的组分的详细情况参照图5被述于下。料坯的生产可包括相互堆叠许多层的FC基材和，按第一种实施方式，参照图6如下文中所述的那样，将这些层针刺在一起，或按第二种实施方式，参照图7如下文中所述的那样，将这些层压缩在一起，或按第三种实施方式，如图8中所述的那样先进行压缩然后进行针刺，或按第四与第五种实施方式，如图9或10那样，针刺与压缩料坯。另外一些的压固方法可包括通过以任何顺序的针刺与压缩相结合的压固作业。在压固前、或在FC基材步骤、或在压固后、或在成型步骤，可切制料坯至预成型形状。
就前述的任何生产料坯方法而言，在切制料坯到一定形状时所产生的任何边角料可被回收。边角料可被返回到复合材料纸生产过程中。在FC基材中的醇基粘结剂是水溶性的因此边角料可被再使用来制造另外的FC基材。反之，在上述的常规方法中，在切制过程中所产生的任何边角料不得不被废弃，因为没有方便的回收边角料使之返回到加工所要求的原始形式的办法。所生产的料坯可具有许多基材层，这取决于所希望的应用厚度。在经济的连续法中所应用的PAN基和/或沥青基碳纤维是预先碳化的和由同样纤维生产的料坯不需要任何另外的碳化步骤。此外，在FC基材中的粘结剂在CVD加工期间可被干净地从碳化长丝中蒸发掉，如下所述，以致也不要求碳化粘结剂。因此，使用本发明的FC基材所生产的料坯不需要碳化步骤，这大大地减少生产碳-碳零件所需的时间和降低其成本。
一旦由FC基材生产出料坯，可使料坯经受CVD过程106，其中基材被放置在真空加热室中。然后，将含碳气体例如甲醇引入到该室中，来自该气体的碳原子可沉积/渗透到长丝上，填充长丝间的自由空间以增加零件的密度。下面参照图10～15描述显示在化学蒸气沉积(CVD)加工前增加料坯表面积的FC基材的例子。FC基材中的聚丙烯腈(PAN)基和/或沥青基长丝与其他类型长丝可具有大的表面积以致使大量的碳原子能更好地渗透到料坯，以比常规碳纤维料坯(例如那些由成束碳长丝基材组成的碳纤维料坯)更快的压实速率达到理想的压实。此外，由于更高与更均匀表面孔隙率之故，大量的表面积使由FC基材组成的料坯在CVD加工期间具有较少的表面阻塞倾向。因此，不像常规零件那样需要研磨步骤与另外的CVD步骤，而常规零件具有表面细孔易于阻塞的倾向。于是，根据本发明的由FC基材结构构成的料坯与常规零件相比可能具有更高的压实率，并且不要求研磨步骤或另外的CVD步骤，从而还降低了FC基碳-碳零件的成本。在CVD加工与热处理加工之后，可以在108步骤中对零件的暴露表面施加一层抗氧化层，以防止表面氧化。在已施加抗氧化层后，完全的碳-碳零件就制成了。现在介绍生产复合材料纸的方法。
图5为说明生产本发明的碳-碳零件用的复合材料纸方法的示意图。在第一步骤120中，可将许多碳化PAN基和/或碳化沥青基纤维和其他类型纤维和醇基粘结剂混合在一起成为含水溶液。如下文中所述，粘结剂可优选为聚乙烯醇(PVA)。用于纸的纤维可以是不连续的纤维，它们能被无规取向而增加纸的强度。用于生产纸的纤维优选可以是碳化聚丙烯腈(PAN)基和/或碳化沥青基纤维或耐火型纤维或金属型纤维或它们的混合物，此处被优选的是50％纤维为0.50英寸长和50％纤维为1.00英寸长。本发明并不限于特定性质的纤维，并且复合材料纸可以完全由短到0.25英寸的纤维与长到1.5英寸的纤维、或某些百分比的这二种纤维组成。纤维长丝的优选直径为约7～10微米，但可以使用3～16微米。一旦如常规的纸法那样地在步骤122中将醇基粘结剂与纤维混合在一起，可将长丝化纤维与醇基粘结剂的混合物放置在运输带上而形成复合材料的毡片，例如复合材料纸。然后在步骤124中，从复合材料纸中除掉水而生产出干复合材料纸。干复合材料纸126可由2～12％重量的聚乙烯醇(PVA)与88～98％重量的纤维长丝组成。优选的复合材料纸可具有5％PVA与95％碳化PAN基碳长丝。可对复合材料纸中的许多不连续的碳化PAN长丝128进行无规取向，以致使在复合材料纸中被PVA母料保持在一起的长丝可以以缠结物的形式存在，从而增大进一步加工的可处理性。
在复合材料纸中使用碳化PAN基和/或碳化沥青基碳纤维取消了生产碳-碳零件惯用的分批碳化过程。PVA有助于在堆叠、针刺与压缩FC基材期间将长丝粘合在一起，以致不需要另外的增强手段。PVA还可具有低的闪点，以致当在由FC基材层组成的料坯经受如上所述的CVD加工时，由于CVD加工的温度与CVD加工的碳原子能容易地充填到长丝周围的由PVA空出的空间之故，PVA可被完全从长丝中除掉。于是，在料坯的最初堆叠、针刺、与压缩期间，PVA可将复合材料纸中的长丝保持在一起，而然后在CVD加工期间它可从长丝中被完全除掉。下面参照图10～15将对在CVD加工之前后的由FC基材制成的料坯表面进行描述。
长丝化纤维与PVA的结合还提供更多的、在CVD加工期间在其上沉积碳原子的料坯表面积，因为PVA在开始CVD加工时PVA已从长丝上被完全除掉。从而暴露最大量的料坯表面积和使最大数目的碳原子沉积在料坯的表面上。由于增加了料坯的表面积与随之增加了可沉积(即，压实)在长丝上的碳原子的量之故而导致更有效地利用纤维。于是，增密料坯所需的时间被减少且需要较少的纤维，由此降低了碳-碳零件的成本。
还可方便地改变FC基材的生产，添加能增大碳-碳零件某些特征的另外树脂和/或材料。另外的化学品或材料可被添加到含水溶液以便将这些化学品或材料给予复合材料纸，或通过预浸法可将同样的这些化学品或材料赋予FC基材。例如，可将陶瓷添加到FC基材来调整基材的硬度和相应地调整碳-碳零件的硬度。作为另外的例子，可将硼微粒添加到FC基材以便使碳-碳零件具有较低的磨擦系数，对磨耗型应用例如刹车片来说这可能是符合理想的。作为又一个例子，可将碳微粒添加到FC基材来增加CVD加工之前料坯的碳含量，由此而导致减少CVD加工的时间与成本。此外，在如多层结构那样的由许多FC基材构成料坯的情况中，可以通过改变各别FC基材(它们被压固而形成基材)的性质进行料坯性质的改进。现在，对本发明的生产料坯方法(它可以是生产碳-碳零件方法的一部份)的第一种实施方式进行介绍。
图6为说明由FC基材通过针刺法生产料坯方法140的示意图，该方法系生产碳-碳零件方法的一部分。首先如众所周知地那样可将许多FC基材堆叠在一起并送入针刺机144中，并通过从X-Y方向到Z方向针刺某些长丝而对FC基材垛进行压固。FC基材垛的高度取决于特定应用所希望的料坯厚度。一般应用的料坯厚度可处在0.125英寸～2英寸的范围内。在针刺后，可通过零件切刀146从FC基材的压固层中切出零件而制造具有希望形状的切制料坯150的片148。然后可分离切制零件而形成许多成品料坯152(它们可使用化学蒸气沉积(CVD)法来增密)。未被用于生产零件的部分FC基材153可根据本发明来回收。现说明生产作为碳-碳零件的部件-料坯方法的第二种实施方式。
图7为说明由FC基材生产复合材料料坯的第二种方法160的示意图。首先，可将许多FC基材162送入到将基材切成希望形状的零件切刀164。就料坯的希望厚度而言，将相当垛高的切出的FC基材送入到压机166中，压机将成垛的FC基材压缩在一起而形成压固的料坯168，然后可通过CVD法对压固料坯进行增密。任何一种被示于图6与7中的方法均可被单独使用或成为一种结合的方法来形成以后被增密的料坯，但是最好在压缩前对FC基材进行针刺，因为针刺料坯的层间强度是被增加的。
PAN基基材的任何一种实施方式的压缩操作过程的压缩时间可为2～20分钟，优选为约7分钟。压缩温度可在300～500°F之间，优选为约400°F。压缩操作的压力范围为每平方英寸100～2500磅(psi)，优选为约500psi。压缩步骤使粘结剂有可能被混入到夹芯物的各层之间，粘结剂可将各层粘合在一起。压缩还能减少夹芯物的空隙体积和增加料坯的纤维体积。具有不同长丝基材的压缩特性是不同的，这取决于长丝化料坯基料的构型和/或组成。
图8为说明形成本发明料坯方法的第三种实施方式的示意图。如图中所示，可能具有许多层的长丝化纤维基材180被压机182压缩，然后通过针刺机184针刺而使基材每层中的长丝化纤维相互交缠。接着，零件切刀切割每块圆盘而形成压固料坯188，然后对压固料坯进行CVD加工步骤。
图9与10为说明形成料坯方法的第四与第五种实施方式的示意图。在这二种实施方式中，可能具有许多层的长丝化纤维基材190可通过针刺机192针刺。在图9中，针刺的基材可通过压机194压缩，并通过零件切刀196切成圆盘而形成压固料坯198。现在，将在CVD加工前后的上述压缩的碳-碳零件试样与在CVD加工前后的上述针刺的碳-碳零件试样相比较。
图10～15为说明均使用FC基材的压缩碳-碳零件的表面剖面与针刺碳-碳零件的表面剖面的显微照片。图10为说明在CVD步骤前，参照图7如上所述那样的已经过压缩的碳化聚丙烯腈(PAN)基碳纤维料坯剖面的显微照片。如图中所示，碳长丝可能具有某些被粘合到碳长丝的聚乙烯醇(PVA)粘结剂，在CVD加工期间这些粘合剂将被驱除掉。碳长丝一般可处于X-Y方向上。图11为说明在CVD加工后其中围绕碳长丝的空隙已通过CVD加工而被充填的压缩碳-碳零件上表面的显微照片。图12与13为说明压缩碳-碳零件上表面的特写视图的显微照片。如图中所示，表面可具有被形成在碳长丝周围的“葱皮”似的碳组织。图14为在CVD步骤后针刺碳-碳零件剖面的显微照片。如图14中所示，通常在X-Y方向上的某些碳长丝由于针刺已被重新取向到Z方向，这增加了碳-碳零件的层间强度。图15为显示在CVD加工步骤后由于来自CVD加工沉积的碳原子之故而形成“葱皮”组织的、针刺碳-碳零件上表面的显微照片。
现描述根据本发明的使用FC基材生产碳-碳零件的第二种实施方式。在此实施方式中，树脂例如酚树脂可被添加或渗透到上述的FC基材中。由于添加树脂之故，在CVD加工之前FC基材必须被分批碳化，这就具有上述的缺点。然而，渗透树脂的FC基材具有若干优点。树脂基碳-碳零件具有改进的磨擦/磨耗特性，这对磨擦应用来说是非常理想的。特别是，在碳-碳零件中酚树脂的存在提供了玻璃状形式的碳，玻璃状形式的碳能降低碳-碳零件的磨擦系数并在诸如刹车片那样的磨擦应用中延长碳-碳零件的磨耗期。酚树脂可被用作例如高固体溶液中的载体以便将其他防磨添加剂与减磨剂引入到FC基材中，以致在CVD加工期间并不见得需要添加另外物质而使已经是冗长的CVD加工复杂化。碳化酚树脂还可在FC基材中占据某些在CVD加工期间需要充填的另外体积。在使用多FC基材或多层结构的情况碳化酚树脂还能增加料坯的内部密度。这减少CVD过程的整个时间与费用。在这种实施方式的碳-碳零件中，酚树脂的量可为2％～60％重量，这取决于成品碳-碳零件的所希望的具体特性。一旦树脂已渗透到FC基材上后，如上所述的FC基材可被碳化，通过CVD过程被增密和经机加工而成为成品碳-碳零件。
虽然已参照本发明的具体实施方式
作出以上的说明，但本专业的熟练人员知道，在不背离本发明的原则与精神下对这些实施方式作出改变是可能的，因此本发明的范围应由权利要求书来确定。
权利要求
1.一种碳-碳零件，包括含有许多不连续的长丝化纤维和将所说的长丝粘合在一起而形成复合基材的粘结剂的复合基材；和许多在的预定温度下被沉积在长丝上的碳原子，以使粘结剂完全从所说的长丝被除掉并且被所说的碳原子所取代而形成致密的碳-碳零件。
2.权利要求1的零件，其中所说的零件包含许多被夹置在一起的复合基材。
3.权利要求2的零件，其中所说的长丝化复合基材的夹芯物被针刺而使在Z方向上的所说的长丝向其他基材重新取向，而增加基材夹芯物的层基强度。
4.权利要求3的零件，其中所说的长丝化复合基材的夹芯物在使用预定量的热与压力下被压缩在一起，而增加零件的纤维体积。
5.权利要求2的零件，其中所说的长丝选自聚丙烯腈(PAN)基碳长丝、沥青基碳长丝、耐火材料基长丝、与金属基长丝。
6.权利要求5的零件，其中所说的长丝包括具有直径为约3～16微米的长丝。
7.权利要求6的零件，其中所说的长丝具有直径为约7～10微米。
8.权利要求5的零件，其中所说的长丝包括具有长度为约0.25英寸～1.5英寸的长丝。
9.权利要求8的零件，其中所说的长丝包括许多具有长度约为0.5英寸～1.00英寸的长丝。
10.权利要求6的零件，其中所说的长丝占所说的基材的88～98％重量。
11.权利要求1的零件，其中所说的粘结剂包括化学粘结剂。
12.权利要求11的零件，其中所说的粘结剂包括聚乙烯醇(PVA)。
13.权利要求12的零件，其中所说的聚乙烯醇(PVA)占所说基材的约2％～约12％。
14.权利要求12的零件，其中所说的聚乙烯醇(PVA)占所说基材的约5％。
15.权利要求11的零件，还包括一层被施加到所说零件表面以减少所说碳的氧化的层。
16.权利要求11的零件，其中所说的基材还包括被用来增大所说基材与所说零件的预定特性的预定的化学品。
17.权利要求1的零件，其中所说的基材还包括被用来减少零件磨擦系数的树脂。
18.权利要求17的零件，其中所说的树脂包括酚树脂。
19.一种生产碳-碳零件的方法，包括生产基材，该基材包括许多不连续的长丝化纤维和将所说的长丝粘合在一起而形成长丝化复合基材的粘结剂；和通过预定温度下的化学蒸气沉积(CVD)将碳原子沉积在长丝上，以使所说的碳原子取代在所说基材中的所说的粘结剂和所说的碳原子增密所说的料坯而形成碳-碳零件。
20.权利要求19的方法，其中生产所说的料坯包括将许多长丝化复合基材夹置在一起。
21.权利要求20的方法，其中生产所说的料坯还包括针刺所说的长丝化复合基材的夹芯物而使在所说的垛内的在所说的基材之间的在Z平面中的长丝重新取向，以致使零件的层间强度增加。
22.权利要求20的方法，其中生产所说的料坯还包括将所说的长丝化复合基材的夹芯物压缩在一起，以混合在夹芯物层中的所说的粘结剂并增加料坯的纤维体积。
23.权利要求22的方法，其中压缩包括约为2～20分钟的压缩操作时间。
24.权利要求23的方法，其中所说的压缩操作时间约为7分钟。
25.权利要求23的方法，其中压缩包括在约300～500°F的压缩温度。
26.权利要求25的方法，其中所说的压缩温度为约400°F。
27.权利要求25的方法，其中所说的压缩包括每平方英寸为约100～2500磅的压缩压力。
28.权利要求27的方法，其中所说的压缩压力每平方英寸为约500磅。
29.权利要求20的方法，其中向所说的基材提供包括选自聚丙烯腈(PAN)基碳长丝、沥青基碳长丝、耐火材料基长丝、和金属基长丝的长丝。
30.权利要求29的方法，其中向所说的基材提供包括聚乙烯醇(PVA)粘结剂。
31.权利要求30的方法，还包括施加一层能减少所说零件氧化的层到所说零件的表面。
32.权利要求31的方法，其中向所说的基材还提供包括向其添加能增大所说基材与所说的碳-碳零件的预定特性的化学品的步骤
33.权利要求20的方法，其中生产所说的料坯包括夹置许多长丝化复合基材片，该长丝化复合基材片包括不同组成的长丝，所说的不同组成包括PAN、沥青与各种耐火材料，它们既可混合在一起成为交错的层厚结构或可将不同组成的长丝掺合物预掺合成为长丝化复合基材片。
34.权利要求32的方法，其中提供将来自切制长丝化基材的过量边角料掺入返回到纸法中(再循环)的能力。
全文摘要
提供一种包括复合基材的碳—碳零件(168),该复合基材具有许多不连续的纤维(190)和将所说的纤维粘合在一起而形成复合材料基材的粘结剂,在预定的温度下许多碳原子被沉积在长丝上,以使粘结剂从所说的纤维被完全地除去并被所说的碳原子所取代,而形成致密的碳—碳零件(168)。本发明还提供制造致密的碳—碳零件(168)的方法。
文档编号D04H1/58GK1260747SQ98805697
公开日2000年7月19日 申请日期1998年4月2日 优先权日1997年4月2日
发明者W·泰斯, D·E·万托克, J·J·罗瑟, M·T·乔特 申请人:赛特技术有限公司