在复合材料中形成通道的牺牲纤维的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及复合材料的制造。
【背景技术】
[0002]在一些预制件和碳-碳复合材料制造工艺中，在正在处理的预制件或预制件母体内部可能产生气体，或者，这些制造工艺可能利用气体或液体从外部穿透预制件。气体可以穿透或撤出预制件的速度能够尤其取决于气体扩散速度和预制件的孔隙度。
【发明内容】
[0003]总的来说，本发明描述了在碳-碳复合材料的母体中采用牺牲纤维的技术，这些牺牲纤维可以大体上从纤维混合物中清除，通过加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度。在一些示例中，该牺牲纤维可以混合、结合成丝束、刺或以其它方式与碳纤维母体纤维或碳纤维结合形成工件，例如预制件、纺织或无纺织物、复合部件或其中间物。牺牲纤维的加热可以导致在工件中形成通道形式的附加孔隙度。增大的孔隙度可以允许气体、液体或其它挥发物相对于正在处理的工件的内部部分的增强进和/或出。
[0004]在一些示例中，本发明的技术可以包括加热包含牺牲纤维和多个碳纤维母体纤维的纤维混合物到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，以大体上从纤维混合物中清除牺牲纤维并且在预制件母体中在多个碳纤维母体纤维之间在牺牲纤维的位置处形成多个通道。这个示例技术还可以包括碳化该多个碳纤维母体纤维以形成包含多个通道的多孔碳纤维预制件。
[0005]在本发明的另一示例中，一种技术包括加热包含牺牲纤维和碳纤维的纤维混合物到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，以大体上从混合物中清除牺牲纤维并且在碳纤维预制件中在碳纤维之间在牺牲纤维的位置处形成多个通道。这个示例技术同时可以包括渗透致密剂到碳纤维预制件的至少多个通道中。
[0006]在本发明的另一示例中，一种物品包括纤维混合物，该纤维混合物包含多个牺牲纤维，和多个碳纤维母体纤维或多个碳纤维，其中，每个牺牲纤维具有在约170摄氏度与约400摄氏度之间的大体清除温度。
[0007]在下面的附图和描述中阐述本发明的一个或多个实施例的详细内容。本发明的其它特征、目标和优点通过这个描述和附图并且通过权利要求将变得显而易见。
【附图说明】
[0008]图1是流程图，示出形成多孔碳纤维预制件的示例技术。
[0009]图2是概念图，示出具有圆盘形几何结构的示例多孔预制件母体。
[0010]图3是概念图，示出图2的示例多孔预制件母体的横向剖视图。
[0011]图4是特写概念图，示出图3中标出的示例预制件母体的区段A。
[0012]图5是特写概念图，示出图3中标出的示例预制件母体在清除了牺牲纤维之后的区段A。
[0013]图6是概念图，示出示例多孔碳纤维预制件的横向剖视图。
[0014]图7是特写概念图，示出图6中标出的示例多孔碳纤维预制件的区段A。
[0015]图8是特写概念图，示出图6中标出的示例多孔碳纤维预制件的区段A，在渗透了致密剂到预制件内形成的多个通道和多个气孔之后。
[0016]图9是流程图，示出形成渗透碳纤维预制件的示例技术。
[0017]图10是概念图，示出示例多孔碳纤维预制件的横向剖视图。
[0018]图11是概念图，示出示例渗透碳预制件的横向剖视图。
【具体实施方式】
[0019]总的来说，本发明描述了采用牺牲纤维的技术，牺牲纤维可以被加热以大体上从碳-碳复合材料的母体中清除。在一些示例中，该牺牲纤维可以混合、结合成丝束、刺或以其它方式与碳纤维母体纤维或碳纤维结合以形成工件，例如预制件、纺织或无纺织物、复合部件或其中间物。牺牲纤维的加热以大体上清除它们可以导致在工件中形成通道形式的附加孔隙度。相对于正在处理的工件的内部部分，增大的孔隙度可以允许气体、液体或其它挥发物的增强进和/或出。
[0020]在一些示例中，一种技术可以包括加热包含牺牲纤维和碳纤维母体材料的纤维的纤维混合物，其中，通过以约170摄氏度与400摄氏度之间的温度加热，牺牲纤维可以大体上被清除(例如熔化或燃烧)。例如，预制件母体可以包括含有聚合材料的纤维，该聚合材料具有约170摄氏度与约400摄氏度之间的软化温度，例如聚乙烯或聚丙烯纤维。作为其他的示例，牺牲纤维可以包括大麻纤维、草纤维、木材纤维、棉纤维、含有有机材料的纤维等等。在这样的示例中，一旦被加热到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度，牺牲纤维可以灰化或燃烧，从而，可以忽略的灰或没有灰保留在牺牲纤维所在的地方。该牺牲纤维可以例如与碳纤维母体编织来形成织物，以无纺的形式与碳纤维母体结合，可以刺入纺织或无纺织物或短碳纤维母体中，或者所有纤维可以被切短并且混合以形成预制件。合适的碳纤维母体纤维可以包括聚丙烯腈(PAN)纤维或沥青纤维。
[0021]当碳纤维母体纤维正在碳化时，或在处理预制件的在先步骤中，牺牲纤维可以被加热从而使它们大体上从纤维混合物中清除。这可以在预制件中留下增大的孔隙度，其可以缩短气体在预制件或预制件母体内的扩散路径。在一些示例中，增大的孔隙度(例如，在清除了的牺牲纤维的位置处的通道)可有利于后续的稳定和/或致密步骤。例如，如果沥青使用本文公开的技术渗入已经形成的预制件的气孔和通道中，当预制件被加热以稳定沥青时，沥青可能在通道、气孔或这两者内收缩，形成裂隙网，氧气能够流过这个裂隙网来参与该稳定反应，相比于不是根据本文公开的技术所制造的预制件而言。在一些示例中，采用包括牺牲纤维的预制件可以缩短稳定过程和制造碳-碳复合材料的整体伴随时间。
[0022]在一些示例中，一种技术可以包括加热包含牺牲纤维和碳纤维的纤维混合物到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度以大体上清除牺牲纤维(例如通过熔化或烧掉)，在碳纤维预制件中在碳纤维之间在牺牲纤维的位置处留下通道。在一些示例中，牺牲纤维可以包括具有约170摄氏度与约400摄氏度之间的软化温度的聚合材料。在一些示例中，与这个示例中的牺牲纤维混合的碳纤维可以涂覆有树脂，例如酚醛树脂。这个示例技术可以包括渗透致密剂(例如沥青)到至少碳纤维预制件的通道中。在一些示例中，沥青例如通过经由多个通道中的至少一些暴露于氧气可以被稳定，然后碳化。包含所描述通道的碳纤维预制件可以防止在最终的复合部件中形成裂缝或空隙，可以缩短稳定过程和制造碳-碳复合材料的整体时间，或这两者。
[0023]图1是流程图，示出形成多孔碳纤维预制件的示例技术。在一些示例中，技术包括加热含有牺牲纤维22和多个碳纤维母体纤维24的纤维混合物18到约170摄氏度与约400摄氏度之间的温度以大体上清除牺牲纤维并且形成多个通道(4)，如下文更详细描述的(见图 3-5)0
[0024]图2是概念图，示出具有圆盘形几何结构的示例多孔预制件母体8。在一些示例中，如图2所示，多孔预制件母体8可以具有大致圆盘形几何结构，从而，由多孔预制件母体8形成的碳-碳复合材料可以是大致圆盘形，例如，用作制动盘。在其它示例中，多孔预制件母体8和由此制造的多孔预制件可以限定出不同的几何结构。例如，多孔预制件母体8的几何结构可以类似于或大体上相同于由碳-碳复合材料形成的成品的期望几何结构。
[0025]多孔预制件母体8包括圆盘形多孔体10，带有贯穿圆盘形多孔体10的轴向厚度的中央孔12。在一个示例中，多孔预制件母体8具有在孔12处的内径ID、在外缘14处的外径0D和轴向厚度T，轴向厚度的测量是在大体上垂直于测量内径ID和外径0D的方向的方向上。多孔预制件母体8包括纤维混合物18 (见图4)，例如，牺牲纤维22和碳纤维母体纤维24或碳纤维的混合物。
[0026]在一些示例中，图2的多孔预制件母体8的表面可以由模具16限定。例如，模具16可以包括限定出圆盘形凹陷的一个或多个部分，从而，当纤维混合物18布置在模具16内时，纤维混合物18通常限定出三维的圆盘，其轮廓线在图2中示出。在一些示例中，模具16可以包括第一部分，其包括形成多孔预制件母体8的底面和外缘14的表面，以及厚度为T的中央定位的圆柱体，在其位置处留下预制件母体8的孔12。在多孔预制件母体8限定出不同几何结构的一些示例中，模具16还可以限定出不同的几何结构，例如，与多孔预制件