使用液态前体密化预型件的制作方法

专利名称：使用液态前体密化预型件的制作方法
技术领域：
本发明的背景目前，飞行器的高性能制动板常常通过化学蒸汽沉积使用气态甲烷前体形成碳/碳组合物密化碳预型件来制备。这种传统的密化方法通常包括重复密化周期操作，接着加工预型件表面以打开在密化期间关闭的孔。这种技术的一个不利之处是它需要大量的时间，有时相当于数百小时以充分密化预型件。
另外，密化必须缓慢实施，以使预型件外边的孔在预型件里面的孔之前没有被填充。如果预型件外边的孔在内部密化前被阻塞，那么就没有充分的前体到达预型件的内部，预型件就不会被充分密化。
一种避免这个问题的方法是使用前体液态烃密化法，如在1995年2月14日颁布给Thruston的美国专利5,389,152,1995年2月14日颁布给Thruston等人的5,389152中所公开的。在这种方法中，全部密化从预型件的内部向外发生。这样，密化可以以高速度实施，并且没有涉及到预型件外边的孔被阻塞，阻止预型件内部的密化。
在用液态前体密化期间，温度梯度是这样的，预型件的中心比表面要热，这样随着预型件的温度升高，密化从中心向表面部分进行。通常，使用这种方法靠近一些表面的预型件部分没有密化。因此，在使用液态前体密化后，预型件的边缘部分常常加工掉以形成完全密化结构，然而，这种方法增加了与密化有关的废料。
因此，存在一种可以密化当使用液态前体通常不被密化的预型件区域的改进的密化方法的需要。
本发明的简述本发明包括一种密化一个或多个多孔预型件的方法，当使用液态前体时，包括一个或多个预型件的表面和边缘。
方法包括用隔离物质覆盖至少部分多孔预型件以隔离至少部分预型件。将预型件浸没在可热分解的前体液体中。在足够分解前体液体并在预型件内沉积前体液体的第一分解产物的温度下，在前体液体中加热多孔预型件。在前体液体中持续加热预型件直到至少部分隔离部分的预型件密化，其在没有隔离的情况下在这个过程中不会密化。
本发明的示图简介

图1是密化预型件的反应器的示意图。
图2是在如图1中所示的设备中，使用实例1中的描述的方法密化的制动板的剖面图。
图3是使用隔离物质，如低密度碳毡的第二制动板预型件的透视图。
图4是如实例2中所述的部分密化的第三制动板的剖面图。
图5是如实例3中所述的用隔离物质部分覆盖时，部分密化的第四制动板的剖面图。
本发明的详细描述本发明方法和设备的特点和细节参考所附示图和在权利要求书中所指出的进行更具体的描述。可以理解认为本发明的特别的具体实施是为说明而演示的，不是对本发明的限制。本发明的主要特点能使用在不背离本发明范围的各种具体实施中。
图1显示了适合依据下列专利中所描述的方法实施密化的反应器100,1995年2月14日颁布给Thurston等人的美国专利5,389,152,1984年9月18日颁布给Houdayer等人的美国专利4,472,454。反应器100在1995年3月14日颁布给Carroll等人的美国专利5,397,595中和1996年8月20日颁布给Scaringella等人的美国专利5,547,717中作了描述。当感应线圈，如感应线圈104，用来加热预型件时，反应器100较好地由非-磁性材料，如铝，石英玻璃，不锈钢，陶瓷或它们的组合物。
反应器100包括内腔102，其中一个或多个预型件(未显示)进行密化。操作中，内腔102填充至少足够覆盖预型件的前体液体。前体液体是在预型件能被加热到的温度下在预型件内汽化并分解以沉积前体的分解产物的液体。根据前体液体，分解产物可以是碳，碳化硅，氮化硅，或气其他分解产物。前体液体还应是电介质体。较好地，前体液体的介电常数应为约0.5，更好地超过1，最好超过1.5。为了在预型件内沉积碳，可使用有适当沸点的烃，如环己烷，n-己烷，或苯。对于沉积碳化硅，可使用甲基三氯代硅烷，二甲基二氯代硅烷，甲基二氯代硅烷或其他有机硅烷或有机硅烷混合物。同样，前体液体可选择为共-沉积物质。如使用三-n-甲基氨基硅烷或其他硅烷化合物可沉积碳化硅和氮化硅混合物。
在内腔102内可安装一个或多个感应线圈104。操作中，感应线圈被前体液体覆盖并运行加热预型件。感应线圈104可由即使加热也不与前体液体反应的铜或其他高传导性物质制成。
通过母线106向感应线圈104提供电能。母线106由高传导性物质制成，如铜。较好地使用数百安培到数千安培的电流以提供充足的能量加热预型件。因为电流量大，母线106应有充分的截面以避免过热。母线106可包括水管105承载冷却水通过母线106并通过感应线圈104。
母线106与能量源(未显示)连接。使用AC电源。使用已知技术，电压，电流，频率及感应线圈104的形状由预型件的形状，几何形态和电学属性确定。通常，初始能量的量为感应加热预型件在预型件中心产生足够高的温度分解前体并在预型件内形成分解产物，但又足够低以使预型件的未密化区域没有被这些区域外部的分解产物沉积密封，从而产生非-均匀的密化。在密化中心，不是必需的，但通常是，在预型件的中心，温度通常在范围约850℃到2000℃之间。较好的温度是在范围约850℃到1000℃之间。
母线106穿过密封口107进入内室102。当操作期间内室102含有前体液体时，密封口107必须是有弹性的，并还抵抗前体液体的化学腐蚀。在反应器100是由导电构件组成的情况下，密封口107还应使反应器100与母线106电绝缘。如，可使用硅橡胶密封反应器中母线106穿过的开口。
为了方便起见，母线106从反应器100较低的部分进入。如果母线106从反应器内室102较高的部分进入，密封口107仍然需要。它不必阻止液体逸出，但它必须阻止蒸汽从内室1 02逸出。母线106可通过烟道136进入内室102，在这种情况下不需要特别的密封。然而，所需的是使母线106尽可能短以减少在母线中的能量损失。
通过阀110，通过前体入口108前体液体进入反应器100。最初，内室102用足够量的前体液体填充以覆盖预型件。操作中，前体液体可在沉积反应中消耗或从反应器100中以蒸汽逸出。因此，在反应器操作期间，前体入口108可用来补充消耗的前体液体。
密化期间，液态前体可变成雾状。因此，阀114可开启以使前体液体流经反应器100并返回112到过滤器112，在其中液体被过滤并泵送回到反应器100中。过滤器116可以是任何适当的过滤器，如多孔陶瓷筛或，更好的是木炭。较好地，一旦前体液体变成雾状，前体液体可从反应器中移出，并能在一个或多个密化周期操作后替换蒸馏。
前体液体，如本文所使用的，是潜在可燃的。因此，较好地密化操作应在惰性氛围下实施。如，可使用氮气。为了吹扫内室102的空气，阀120空气使得惰性气体，如氮气流经入口118。阀124可开启以更快速和有效地吹扫蒸汽回收系统130。一旦内室102中的氛围被惰性气体替换，如氮气，阀128可开启以直接使氮气进入通风烟道136。这股氮气流阻止空气进入内室102，阀120和124可关闭。关闭阀120和124减少了通过蒸汽回收系统130的气体流量。因此蒸汽回收系统130能更有效地操作。
蒸汽回收系统130是此领域中已知的一种回收汽化液体的系统。这样的一个系统减少了过程中产生废气的量及前体的使用量。并且，蒸汽回收系统130是为了防止由于汽化作用而造成的显著量的前体液体的损失。
操作中，将预型件安置在内室102中靠近感应线圈104。预型件包括纤维结构，木质的或非-木质的，含有贯穿的孔。在密化处理期间，在它们意图的应用条件下，纤维需要本质上无化学活性。预型件较好地安置在支撑装置中，以牢固地将预型件固定在相对于反应器和线圈不变的位置上。支撑装置的确切形状以预型件的形状为根据。这样的装置可以任何方便的方式支撑，如在唇沿132上。根据预型件形状的不同，可铵所需使用不同大小和形状的线圈。由于这个原因，感应线圈104在连接器34上与母线106连接。连接器34延伸含母线106的电路。它还延伸了由管路105形成的水流管路。连接器34可以是一块金属有螺丝钉(未显示)的锚点，将感应线圈104的底座固定在母线106上。水流管路中连接可用弹性“O”环或以其他方便的方式密封。材料必须是在水和前体液体中抗老化的。E.I.DuPont de Nemours &有限公司的Viton氟橡胶或硅橡胶可用作此用途。其他附加装置，如线槽及凹槽或夹子也可使用。
预型件的密化利用沸腾液态前体在加热的预型件内形成温度梯度。温度梯度是这样的，预型件中心的温度比表面的高，这样随着预型件温度的升高，密化从中心向表面进行。随着分解产物沉积的进行，预型件的传导率增加，改善了与电场的耦合。如在图2中所示，预型件200的内直径边缘202和外直径边缘204由于在这些部位的大量热量损失而没有完全密化，留下未密化部分206和密化部分208。通常，需要加工掉预型件200的未密化部分206。
在使用液态前体密化期间，温度梯度是这样的，预型件的中心比表面要高，这样随着预型件的温度升高，密化从中心向表面进行。在先有已知液态密化方法中，在预型件的边缘区域密化减少，因为前体液体冷却了预型件的表面和边缘，致使减少了预型件的一些区域中的密化。常常密化的区域是如图2中所示的椭圆形状。
当使用液态前体时，为了在不会正常被密化的区域增加预型件的密化，在这些部位对前体液体的热量损失必须降低。在包括预型件的表面和边缘的这些区域的密化可通过隔离预型件的表面来改进，如用隔离物质隔离内直径，外直径，顶部和底部表面。隔离物质，如碳毡，显著不干扰预型件的加热而最小化对液体的热量损失并在预型件表面和边缘维持较高的温度。通过用隔离物质隔离所选取的预型件的表面和区域，用分解产物的密化可如所需精确控制。通过计划布置隔离物质精确控制的选择型沉积可产生具有精确形状的密化区域的预型件。隔离物质必须是能在密化环境中存在，并且不会干扰预型件加热的物质。它必须能承受穿过约1000℃的温度，对前体液体是惰性的，并且没有显著感应耦合。适当的隔离物质实例包括碳毡和陶瓷。隔离物质可以是可重复使用的或是不可重复使用的。较好地，隔离物质如通过缝合或通过其他适当的方式附着在预型件的至少一个边缘上，更好地，附着在一个预型件的内直径和外直径的边缘和表面上，如在图3中所示。这种毡的一个实例是碳毡，其可从马萨诸塞州Somerville的无限材料购得。在一个具体实施中，通常碳毡可具有厚度范围为约0.25厘米到2.54厘米或更大(0.1英寸到1英寸或更大)。
在图3中，预型件300使用更改的加热周期处理预型件，其中最后的能量比密化预型件外表面所需的能量降低了约25％。通过在处理前在非木质预型件的内直径表面304和外直径表面306加上隔离物质302，如毡，从内直径表面到外直径表面的密化轮廓可以被优化，在处理期间其能致使能量消耗减少，并能导致周期时间减短。
在另一个具体实施中，其中预型件部分被密化，预型件内的密化也可精确控制，如按所需，通过用隔离物质隔离预型件所选取的表面和区域。为了部分密化预型件，密化在距预型件的外表面的某一距离终止，其通常是预定的。通常，但不总是，距离为距磨损表面约0.25厘米到0.5厘米之间(0.1英寸到0.2英寸)。所需的密化程度可通过减少能量，从而降低最后25％的全密化周期确的预型件内的温度获得。
如在图4中，如在实例2中所作的进一步描述，演示了没有使用隔离物质的部分密化的板。相比之下，在部分密化的板内使用隔离物质精确控制密化的效果在图5中演示，在实例3中作进一步的描述。作进一步比较，如中实例1在所述，演示了在没有使用隔离物质的情况下，尝试使用前体液体完全密化的预型件。
实例1非-木质预型件通过重叠氧化的碳粗纤维层(从Textron系统公司购得的Avox碳粗纤维)及用有刺的针刺穿重叠而构建。针拖拉纤维穿过层将层锁定在一起。然后将预型件在真空下进行高温加热处理(1800℃)，将氧化的纤维转化为碳纤维(Avcarb)。热处理后，预型件重量为1705克，密度为0.54克/平方厘米，31％纤维体积。制动板的非木质预型件由这种材料制备，具有内直径12.7厘米(5英寸)，外直径34.5厘米(13.5英寸)，厚度为4.0厘米(1.56英寸)。使用环己烷作为前体液体，将预型件在与图1中所示相似的反应器中密化。
反应器包括能容纳环己烷的液体紧密容器，回收汽化环己烷的蒸汽回收系统，能耦合并加热碳预型件的感应能量源和感应线圈。蒸汽回收系统包括板式换热器。Alfa Laval模型M10-BWFG类型。感应能量源包括功率200千瓦频率30千赫的LepelLSP12-200-30模型。
将预型件放置在反应器容器内，并固定在一对扁平线圈中心内。然后安装反应器容器并装配上蒸汽回收系统(板示换热器)。将环己烷泵送到反应器容器中，将预型件和感应线圈浸没在液态环己烷中。然后用氮气吹扫反应器系统最少20分钟，以除去系统中存在的空气。
然后使用感应能量源系统加热预型件。能量源的输出功率通过操作者人工控制。操作者保持能量源的输出功率以遵从预定的功率轨道。
完成密化周期后，将反应器中环己烷排出并拆开。将预型件从固定装置上移出并放置在抗溶剂的烘箱内，在175℃干燥最少4小时以除去然后残留环己烷。经过一个5个小时的密化周期功率密度设定在13.2瓦/平方厘米(85瓦/平方英寸)，然后在300分钟将功率密度升高到约54.3瓦/平方厘米(350瓦/平方英寸)。使用环己烷的运行功率密度在表Ⅰ中列出。
干燥后，预型件，如在所有下列实例中，使用带有钻石刀的扁钢锯切成两半。然后使用均匀颗粒金刚砂纸手工抛光曝露的表面。这些表面低放大倍数下(5-10倍)观察，使用15厘米(6英寸)游标卡尺测量沉积轮廓。
表Ⅰ
密化的预型件在预型件的表面产生高沉积，如在图2中所示。板的部分表面的密化是可视的。这说明需要在周期末减少功率密度。
实例2使用与实例1中所描述的相同的方法制备非木质碳预型件。制备制动板的非-木质碳预型件，内直径12.7厘米(5英寸)，外直径34.3厘米(13.5英寸)，厚度4.0厘米(1.59英寸)。预型件的重量为1680克，密度为0.522克/平方厘米，30％纤维体积。这个运作的功率密度与实例1中运作相比降低了。经过一个5个小时的密化周期，功率密度设定在13.2瓦/平方厘米(85瓦/平方英寸)，然后在300分钟将功率密度增加到约46.5瓦/平方厘米(300瓦/平方英寸)。使用环己烷的运行的功率密度在表Ⅱ中列出。
表Ⅱ
部分密化的预型件的剖面图在图4中演示。在距表面所需的距离上，部分密化的预型件500产生了未密化部分502和密化部分504。密化终止在距边表面506距离约0.28到0.33厘米处(0.11英寸到0.13英寸)(如图4中所示的距离A)，及距外直径508和内直径510约0.89厘米处(0.35英寸)(如图4中所示的距离B)。
实例3使用与实例1中所描述的相同的方法制备非木质碳预型件。制备制动板的非-木质碳预型件，内直径12.7厘米(5英寸)，外直径34.4厘米(13.5英寸)，厚度4.0厘米(1.59英寸)。预型件的重量为1690克，密度为0.53克/平方厘米，30％纤维体积。预型件用碳毡覆盖外直径表面和内直径表面，并从边缘和表面延伸1.91厘米覆盖正面，厚度为0.76厘米(0.3英寸)。隔离毡附着在预型件上。使用环己烷运行的功率密度与在实例2中所描述的相同。
如在图5中所示，当用隔离物质302部分覆盖时，制动板预型件300部分被密化形成密化部分310和未密化部分312。这使得从预型件的内直径表面到外直径表面形成了更均匀的密化轮廓。在这个具体实施中，形状更接近长方形而不是椭圆形，如在图2中预先演示的。
制备密化的预型件具有密化部分310，终止在距磨损表面308约0.3厘米(0.12英寸)的距离上(如图5中所示的距离C)，及距外直径和内直径的约0.28到0.33厘米(0.11英寸到0.13英寸)的距离上(如在图5中所示的距离D)。在处理前将碳毡带加在预型件的外直径和内直径表面上，产生更靠近内直径和外直径的，并比实例2中的密化预型件更均匀的选择性精确控制的密化轮廓。
权利要求
1．一种密化一个或多个多孔预型件的方法，包括a)覆盖至少部分不要密化的多孔预型件或者隔离至少部分所说的预型件；b)将预型件浸没在可热分解的前体液体中；c)在足以在预型件内分解前体液体并在预型件内沉积前体液体的分解产物的温度下加热预型件；d)在前体液体中持续加热所说的预型件直到包括所说的隔离部分，或者说不会密化的部分的所说的预型件被所说的分解产物密化。
2．根据权利要求1的方法，其中进一步包括从所说的预型件上除去隔离物质的步骤。
3．根据权利要求1的方法，其中分解产物包括碳。
4．根据权利要求1的方法，其中前体液体包括烃。
5．根据权利要求4的方法，其中烃是从下列基团中选取的，包括环戊烷，环己烷，1-己烷，汽油，甲苯，甲基环己烷，环己烷，n-己烷和苯，或它们的组合物。
6．根据权利要求1的方法，其中在前体液体中的多孔预型件被感应线圈加热。
7．根据权利要求1的方法，其中分解产物包括碳化硅。
8．根据权利要求1的方法，其中前体液体包括有机硅烷。
9．根据权利要求8的方法，其中有机硅烷是从下列基团中选取的，包括甲基三氯代硅烷，二甲基二氯代硅烷和甲基二氯代硅烷。
10．根据权利要求1的方法，其中隔离物质包括碳毡。
11．根据权利要求1的方法，其中隔离物质包括陶瓷。
12．一种密化一个或多个多孔预型件的方法，包括a)用低密度碳毡覆盖至少部分不要密化的多孔预型件或者隔离至少部分所说的预型件；b)将预型件浸没在环己烷中；c)加热环己烷中的预型件到足以在预型件内分解环己烷的温度；d)在环己烷中持续加热所说的预型件直到包括所说的隔离部分，或者说不会密化的部分的所说的预型件被碳密化，从而密化多孔预型件。
13．使用权利要求1的方法制备密化预型件。
14．使用权利要求12的方法制备密化预型件。
15．含使用权利要求1的方法制备的密化预型件的制动装配。
16．一种部分密化一个或多个多孔预型件的方法，包括a)用隔离物质覆盖多孔预型件，覆盖至少部分预型件以隔离至少部分所说的预型件；b)将预型件浸没在可热分解的前体液体中；c)在足以在预型件内分解前体液体及在预型件内沉积前体液体的分解产物的温度下加热前体液体中的预型件；d)在前体液体中持续加热所说的预型件直到包括所说的覆盖部分的所说的预型件被所说的分解产物密化到距部分预型件的表面的某一距离。
17．根据权利要求16的方法，其中分解产物包括碳。
18．根据权利要求16的方法，其中前体液体包括烃。
19．根据权利要求16的方法，其中隔离物质包括碳毡。
20．至少部分密化一个或多个具有精确控制密化的多孔预型件的方法，包括a)为精确控制密化，通过用隔离物质隔离选取的预型件区域覆盖至少部分多孔预型件；b)将预型件浸没在可热分解的前体液体中；c)在足以在预型件内包括在所说的隔离区域内分解前体液体温度下加热前体液体中的预型件；d)在前体液体中持续加热所说的预型件直到所说的预型件内的所说的选取区域至少部分被所说的分解产物密化，从而至少部分密化具有精确控制密化的预型件。
全文摘要
本发明包括一种密化一个或多个多孔预型件的方法,当使用液态前体时,包括一个或多个预型件的表面和边缘。该方法包括用隔离物质(302)覆盖至少部分多孔预型件(300)以隔离至少部分预型件。将预型件浸没在可热分解的前体液体中。在足以在预型件内分解前体液体并在预型件内沉积前体液体的分解产物的温度下,在前体液体中加热预型件。在前体液体中持续加热预型件直到至少部分隔离部分的预型件密化,其在没有隔离的情况下在这个过程中不会密化。
文档编号C04B35/80GK1290240SQ99802692
公开日2001年4月4日 申请日期1999年1月14日 优先权日1998年2月9日
发明者小唐纳德·F·康纳斯 申请人:泰克斯特兰系统公司