背景
中断起飞(rto)状态可以是指飞机响应于飞行员中止起飞而在起飞期间施加制动的状态。在rto状态期间，在飞机制动器处施加大量的扭矩，从而导致产生大量的热量，并且继而导致温度升高。重要的是，在rto状态期间经历的这种温度升高并不会造成飞机制动系统中碳/碳(c/c)制动盘的摩擦系数不合期望地大幅下降。
概述
根据各种实施方案，公开了一种系统，其包括碳/碳制动盘，所述碳/碳制动盘包含具有在80％与100％之间的晶体取向(co)并且响应于中断起飞状态而具有大于0.183的摩擦系数的碳纤维。
根据各种实施方案，公开了一种方法，其包括碳/碳制动盘的制造方法，所述制造方法包括由氧化碳纤维前体形成纤维网络、通过对氧化碳纤维前体进行加热来使氧化碳纤维前体碳化以形成碳纤维，其中碳纤维响应于中断起飞状态而具有在80％与100％之间的晶体取向(co)和大于0.183的摩擦系数。
根据各种实施方案，一种改进中断起飞(rto)性能的方法包括：使用第一制造过程制造第一致密化预成型件，第一制造过程不具有晶体取向(co)改进过程；使用第二制造过程制造第二致密化预成型件，除了第二制造过程包括晶体取向(co)改进过程之外，第二制造过程与第一制造过程相同；测量第一致密化预成型件在rto状态下的第一摩擦系数；以及测量第二致密化预成型件在rto状态下的第二摩擦系数，其中第二摩擦系数大于第一摩擦系数。
附图简述
图1是根据各种实施方案的具有各种晶体取向(co)的碳纤维的示意图；
图2是根据各种实施方案的具有各种co的碳纤维的示意图；
图3是根据各种实施方案的生产碳纤维的图解；
图4是根据各种实施方案的广角x射线衍射装置的图解；并且
图5示出根据各种实施方案的多盘式制动器。
详述
本文公开的所有范围和比率极限可以组合。应理解，除非另有特别说明，否则对“一个(a)”、“一种(an)”和/或“所述(the)”的提及可包括一个或多于一个，并且对单数形式的项目的提及也可包括复数形式的项目。
本文对示例性实施方案的详细描述参考附图，所述附图通过图解和其最佳模式而非限制来示出示例性实施方案。虽然对这些示例性实施方案进行足够详细的描述以使得本领域技术人员能够实践本发明，但应理解，可实现其他实施方案并且在不脱离本发明的精神和范围的情况下可进行逻辑、化学和机械上的改变。例如，方法或过程描述中的任一个中所陈述的步骤可按任何顺序执行而不一定限于所给出的顺序。此外，许多功能或步骤可外包给一个或多个第三方或由他们执行。此外，对单数的任何提及包括复数实施方案，并且对多于一个部件或步骤的任何提及可包括单数实施方案或步骤。另外，对附接、固定、连接等的任何提及可包括永久的、可移除的、暂时的、部分的、完全的和/或任何其他可能的附接选项。另外，对无接触(或类似短语)的任何提及还可包括减少的接触或最小接触。
呈摩擦盘(也被称为碳/碳制动盘)形式的碳/碳零件(“c/c”)通常用于飞机制动盘、赛车制动器和离合器盘。碳/碳制动盘在这些应用中特别有用，这是因为c/c材料具有优异的高温特性。具体地，用于c/c零件中的碳/碳材料是良好的热导体，并且能够将在制动期间产生的热量从制动表面散发出来。碳/碳材料还具有很高的耐热损伤性，并且因此在紧急制动期间，能够在摩擦系数不显著减小或不出现显著机械故障的情况下保持制动器表面之间的摩擦。
制造c/c材料的一种方法涉及制造氧化聚丙烯腈(pan)或碳纤维预成型件，之后是碳化和化学气相渗透(cvi)致密化。继续进行cvi循环，如果需要，在渗透循环之间结合机械加工预成型件，直到实现期望的零件密度。
参考图3，示出碳纤维生产生命周期300。可利用加成聚合反应303来处理丙烯腈302，以产生pan304。pan304可在200℃与400℃(392°f与752°f)之间的温度下通过氧化稳定化而被氧化，以产生氧化的pan纤维(opf)306。pan304和opf306可被称为碳纤维前体。opf306可在惰性环境中、在1,000℃(1，832°f)或更高的温度下经历碳化/石墨化308以形成碳纤维310。碳纤维310可被构造成石墨烯片。
一般来说，在三个连续的制造步骤中制成使用opf、碳化和cvi致密化方法产生的c/c零件。首先，利用多种纺织品制造技术制成纤维预成型件。通常，纤维预成型件由opf或碳纤维制成。虽然本领域中已知用于由opf制成纤维预成型件的多种技术，但是常用的技术涉及将opf层堆叠以使所述层叠加。然后可利用带倒钩的纺织针垂直于所添加的层来针刺所述层。针刺(needing)过程穿过纤维预成型件产生垂直于纤维层延伸的一系列z纤维。z纤维通过针从层(x-y或平面内)内推动纤维并将它们在z方向(全厚度)上重新定向的动作而产生。对纤维预成型件的针刺可在将一个或多个层添加到叠堆时进行，或者可在整个叠堆形成之后进行。针也可仅刺穿预成型件的一部分，或者可刺穿整个预成型件。此外，有时通过在构造之后将树脂注入预成型件中或在形成纤维预成型件之前涂覆纤维或层来将树脂添加到纤维预成型件。纤维预成型件也可由沥青基碳纤维丝束和/或木质素碳纤维丝束制成。
在纤维预成型件制成之后，使其碳化以便将opf转化成碳纤维，诸如在碳化/石墨化308中。通常，通过将预成型件放置在具有惰性气氛的炉中来使纤维预成型件碳化。如本领域技术人员所熟知的，炉的热量引起化学转化，从而从预成型件中去除非碳类化学物质。碳化/石墨化308可在真空或部分真空(例如，在1-10毫托的压力下)或者惰性气氛中、在约1,400℃至约2,800℃(2,552°f至约5,072°f)范围内、以及在各种实施方案中约1,600℃至约2,200℃(2,912°f至约3,992°f)范围内、以及在各种实施方案中约1,600℃至约2,500℃(2,912°f至约4,532°f)(其中在此上下文中，术语约仅表示+/-100℃)范围内的温度下进行，持续在多达约60小时范围内、以及在各种实施方案中多达约10小时(其中在此上下文中，术语约仅表示+/-2小时)范围内的时间段。所得的预成型件在碳化之前通常具有与纤维预成型件相同的纤维结构。然而，opf已经转化为100％的碳或非常接近100％，例如95％的碳至99.9％的碳。所得的预成型件可被称为具有纤维网络。
在预成型件被碳化之后，使预成型件致密化。一般来说，致密化涉及利用另外的碳材料来填充纤维预成型件的空隙或孔隙。这可使用用于碳化的同一个炉或不同的炉来进行。通常，使用化学气相渗透和沉积(“cvi/cvd”)技术、利用碳基质来使多孔纤维预成型件致密化。这通常涉及对炉和碳化的预成型件进行加热，以及使烃类气体(例如，如本文所述的甲烷、乙烷、丙烷、丁烷等中的至少一种)流到炉中并且围绕并穿过纤维预成型件。烃类可包括烷烃，例如，具有1至约8个碳原子、以及在各种实施方案中1至约6个碳原子、以及在各种实施方案中1至约3个碳原子的直链、支链和/或环烷烃。可使用甲烷、乙烷、丙烷、环戊烷或其两种或更多种的混合物。气体可包括2至约8个碳原子、以及在各种实施方案中2至约6个碳原子的一种或多种烷烃。可使用1至约8个碳原子的一种或多种烷烃与2至约8个碳原子的一种或多种烯烃的混合物。在各种实施方案中，纤维预成型件可经历树脂或沥青材料的渗透以便在其中形成基质。
因此，来自烃类气体的碳与气体分离并且沉积在纤维预成型件上和其内。当致密化步骤完成时，所得的c/c零件具有碳纤维结构，其中碳基质渗入所述纤维结构，从而得名“碳/碳”。
因此所得的c/c零件可被称为c/c制动盘。c/c制动盘可用于飞机制动系统中。参考图5，示出飞机制动系统、并且具体地多盘式制动系统20。在各种实施方案中，多盘式制动系统20可用于降低飞机的机轮的速度。附图中包括了a-r-c轴以示出轴向(a)、径向(r)和周向(c)方向。所述系统可包括由轴承14支撑以便围绕轮轴12旋转的机轮10。机轮10包括用于支撑轮胎的轮辋16以及一系列轴向延伸的转子花键18(示出一个)。机轮10的旋转由盘式制动系统20来调节。盘式制动系统20包括扭矩法兰22、扭矩管24、多个活塞26(示出一个)、压板30和端板32。扭矩管24是细长的环形结构，其包括反作用板34以及一系列轴向延伸的定子花键36(示出一个)。反作用板34和定子花键36可与扭矩管24一体形成，如图5所示，或者作为单独的部件附接。
盘式制动系统20还包括多个摩擦盘38，其可包括c/c制动盘。多个摩擦盘38包括至少一个不可旋转的摩擦盘40(也被称为定子)，以及至少一个可旋转的摩擦盘42(也被称为转子)。每个摩擦盘38包括附接结构。如图5所示，四个不可旋转的摩擦盘40中的每一个包括位于不可旋转的摩擦盘40周围的周向间隔位置处的作为附接结构的多个定子凸耳44。类似地，五个可旋转的摩擦盘42中的每一个包括位于可旋转的摩擦盘42周围的周向间隔位置处的作为附接结构的多个转子凸耳46。如图5所示，压板30、端板32和摩擦盘38都是至少部分由碳复合材料(即，c/c材料，其可被称为c/c制动盘)制成的环形结构。
扭矩法兰22安装到轮轴12。扭矩管24通过螺栓连接到扭矩法兰22，以使得反作用板34靠近机轮10的轴向中心。端板32连接到反作用板34的轴向远离机轮10的轴向中心朝向的表面。因此，端板32由于其与扭矩管24的连接而不可旋转。定子花键36支撑压板30，以使得压板30也不可旋转。定子花键36还支撑不可旋转的摩擦盘40。不可旋转的摩擦盘40使定子花键36与定子凸耳44之间形成的间隙接合。类似地，可旋转的摩擦盘42使转子花键18与转子凸耳46之间形成的间隙接合。因此，可旋转的摩擦盘42由于其与机轮10的转子花键18的接合而可旋转。
如图5所示，可旋转的摩擦盘42在一个端部上布置有端板32，在另一端部上布置有压板30，并且不可旋转的摩擦盘40交错，以使得可旋转的摩擦盘42与不可旋转的摩擦部件相邻。活塞26在扭矩法兰22周围的周向间隔位置处连接到扭矩法兰22。活塞26轴向地面向机轮10，并且包括与压板30的与可旋转摩擦盘42相背对的一侧接触的定位盘(puck)52。活塞26可以是电动的、液力的或气动的。
飞机制动系统、诸如多盘式制动系统20可用于在飞机位于地面上(例如，在着陆期间)时使飞机减速。通常，通过调整，飞机制动系统被设计来经受rto状态。rto状态可以是指飞机响应于飞行员中止起飞而在起飞期间施加制动的状态。rto状态在不受益于使用反推力装置的情况下可涉及满载的飞机(即，运载其最大额定重量的飞机)。在这方面，rto状态可涉及在飞机制动系统上施加大量的扭矩。例如，在rto状态期间，多盘式制动系统20可施加超过1,000lbsft的扭矩以及在各种实施方案中超过20,000lbsft的扭矩。
可使用测力计来模拟rto状态。飞机制动系统、诸如多盘式制动系统20可机械地联接到测力计。在负载等同于或几乎等同于飞机的情况下，测力计可在rto之前模拟飞机机轮的速度。然后可激活飞机制动系统以施加制动扭矩。在模拟期间，可确定c/c制动盘的摩擦系数(通常被称为希腊字母mu(
在rto状态期间维持可接受的摩擦系数的能力可以是rto性能的量度，并且对于飞机制动系统的发展是重要的。因此，在rto状态下具有可接受的摩擦系数的c/c制动盘是合乎期望的。
如上文所讨论的，碳纤维可由具有关于给定平面的不同对准水平的石墨烯片构成。参考图1，示出根据各种实施方案的具有关于xy平面的不同对准水平的碳纤维100。换句话说，碳纤维100沿着z方向表现出关于xy平面的不同对准水平。在碳纤维中，x方向可以是碳纤维的长度。例如，如果碳纤维的几何形状是圆柱形，则x方向可被认为是轴向方向。作为对准的实例，在点102处，碳纤维100的石墨烯片与xy平面对准并且在z方向上堆叠。然而，在点104处，石墨烯片趋于沿着z方向相对于xy平面以第一角度设置。在点106处，石墨烯片趋于沿着z方向相对于xy平面以第二角度设置，第一角度小于第二角度。在点108处，石墨烯片趋于沿着z方向相对于xy平面以第三角度设置，第二角度小于第三角度。
相对于碳纤维中的平面的对准程度可被称为晶体取向(co)。co可表述为给定纤维中与xy平面对准的石墨烯片的百分比。在点102处，例如，co为100％，因为所有石墨烯片均与xy平面对准。然而，在点104处，co可能仅为90％，因为石墨烯片的一部分以第一角度与xy平面对准。然而，在点106处，co可能是70％，并且在点108，co可能是40％。
参考图2，示出两个碳纤维样品的示例性co图解200。样品202示出石墨烯片206。样品202具有的co为80％。样品204示出石墨烯片208。样品204具有的co为55％。在这方面，样品202的石墨烯片206相对于平面(这里指水平面)的对准程度高于样品204的石墨烯片208。
本发明人已经发现，具有高水平co的碳纤维表现出增强的rto性能。换句话说，一旦被致密化成c/c制动盘，具有高水平co的碳纤维与具有较低水平co的碳纤维相比在rto状态下表现出更大的摩擦系数。如本文所用，高水平co可以是80％至100％、82％至100％、87％至100％、87％至98％、87％至95％、88％至95％以及90％至99％。此外，本发明人已经发现，在制造pan纤维或opf纤维期间或之后执行一种或多种co改进过程(如本文所述)可改进所得的碳纤维中的co水平，所述碳纤维相对于在不具有一个或多个co改进过程的情况下产生的碳纤维将表现出增强的rto性能。换句话说，常规的pan纤维或opf纤维制造过程可通过增加所得的碳纤维中的co水平来改进。例如，常规的pan纤维或opf纤维制造过程可导致co为58％的碳纤维。可通过添加一个或多个co改进过程来改进pan纤维或opf纤维制造过程。所得的碳纤维可具有65％或更高的co。
可使用广角x射线衍射(广角xrd或waxd)来测量co。广角xrd可用于检查聚合物的晶体结构。一般来说，广角xrd可包括在目标处投射x射线以及观察作为结果发生的衍射图样。例如，可使用广角xrd来辨别d间距。d间距可被定义为晶体结构的平面之间的间距。例如，暂时参考图1，d间距可被认为是在石墨烯片的z方向上的间距。
例如，参考图4，示出根据各种实施方案的用于与广角xrd一起使用的装置400。提供支撑卡402作为碳纤维404的支撑件。支撑卡402可包括与广角xrd兼容的任何合适的刚性结构。例如，支撑卡402可包括重型纸、硬纸板、建筑用纸或其他刚性纸制品。支撑卡402可采取任何合适的几何形状，例如支撑卡402可以是圆形、正方形、矩形等。如图4所示的支撑卡402是矩形。
碳纤维404可固定到支撑卡402。如图所示，碳纤维404跨支撑卡402的长度(l)设置。在各种实施方案中，l在10mm与40mm之间。碳纤维404例如在点406处被锚定并拉紧，以使得碳纤维404与支撑卡402成直角408。碳纤维404可以任何合适的方式附接到支撑卡402。例如，在各种实施方案中，碳纤维404可胶合、订合、系结、胶带粘合或以其他方式紧固到支撑卡402。
支撑卡402可放置在x射线源附近。x射线可从x射线源投射到支撑卡402处。传感器、薄膜或其他记录介质可捕获x射线衍射图样以便进行分析。碳纤维404的co可根据x射线衍射图样来确定。例如，可将在碳纤维404测试期间获得的x射线衍射图样与其他已知参考值进行比较。例如，可使用由石墨产生的waxd图样来与在碳纤维404测试期间获得的x射线衍射图样进行比较。在这方面，可使用参考石墨与碳纤维404之间的差值来计算co。
例如，在rigakua18kw旋转阳极x射线发生器上使用波长为0.1542nm的cuka辐射来进行二维广角x射线衍射(2dwaxd)实验。x射线射束垂直于纤维长度方向。使用r-axis-iv图像板系统作为检测器。针对每次测试，获得合适图样的曝光时间为20分钟至40分钟。使用硅晶体来校准峰位置。将二维图样整合成一维粉末图样。角度扫描范围为约2度至60度。
为了确定co，可使用hermans单轴取向函数。hermans单轴取向函数用角度φjz来指定向量rj相对于参考轴z的平均取向。所述函数可表示为：
在这方面，f＝1对应于在
对于给定的晶体平面(hkl)，可通过以下方程式进行
常规分析可能得出高的测试变化。然而，通过使用本文所述的过程，样品之间的变化减少。因此，现在可以更可靠地检测纤维差异。
表1中的样品1、2、3和4表示四种不同的c/c制动盘。通过如本文所述的广角xrd来评估每个样品的co。然后将每个样品形成为预成型件并通过cvi致密化，如本文所述。对每个样品执行的cvi技术是相同的或几乎相同的。然后使每个样品在测力计上经受rto状态模拟。每个样品经受相同的rto状态测试，因为测试参数、诸如所施加的扭矩负载等是相同的和/或基本相同的。表1包含每个样品的co值和摩擦系数，两者均被归一化以说明纺织品差异。如图所示，显示rto状态下的摩擦系数与co值有关。
表1
如本文所述，增加碳纤维的co对c/c制动盘是有益的。在这方面，可在碳纤维生产中使用若干方法来改进co。在各种实施方案中，co改进过程可包括在碳化之前对碳纤维和/或碳纤维前体执行的趋于改进co的任何过程。例如，co改进过程可包括：增加聚合物全同立构规整度含量的方法；在纺丝、纤维洗涤、干燥、氧化和/或碳化期间调节纤维拉伸的方法；以及降低聚合物分子量分布的方法。在各种实施方案中，可在碳纤维生产中使用包括熔融纺丝、气隙纺丝或湿喷纺丝中的至少一种的co改进过程。在熔融纺丝中，可通过机筒加热器来处理进料，并将其馈送到齿轮泵。齿轮泵可供应挤出碳纤维前体纤维的模头。在气隙纺丝中，碳纤维前体纤维的丝束可在溶剂浴中纺成。在湿喷纺丝中，碳纤维前体纤维的丝束可在溶剂浴中纺成，通过喷丝头馈送并且喷射拉伸。也可通过催化剂负载的气相生长来形成碳纤维前体纤维。催化剂负载的气相生长涉及催化剂介导的碳纤维前体纤维生长。在各种实施方案中，co改进过程可包括在1,600℃至约2,500℃(2,912°f至约4,532°f)(其中在此上下文中，术语约仅表示+/-100℃)的温度下执行碳化(诸如以上讨论的碳化/石墨化308)。
在各种实施方案中，可对碳纤维前体执行第一co改进过程和第二co改进过程。在这方面，在碳纤维前体制造期间可使用一个或多个co改进过程。以这种方式，碳纤维前体可经历改进的co。通过执行第一co改进过程和第二co改进过程，可改进由碳纤维前体产生的碳纤维的co。在这方面，可在给定的制造过程(例如，不具有co改进过程的制造过程)中制成碳纤维前体，以便在碳化之后具有例如55％的co。然而，可将一个或多个co改进过程添加到给定的制造过程，从而可将co改进5％或更多。
提供了系统和方法。在本文的详细描述中，对“各种实施方案”、“一种实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等的提及表明所描述的实施方案可包括特定特征、结构或特性，但是每种实施方案可能不一定包括所述特定特征、结构或特性。此外，此类短语不一定是指同一实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，应认为，无论是否明确描述，使得这种特征、结构或特性结合其他实施方案实现是在本领域技术人员的知识范围内的。在阅读本说明书之后，对相关领域的技术人员来说，如何在替代实施方案中实施本公开将是显而易见的。
本文已经参照具体实施方案描述了益处、其他优点以及问题的解决方案。然而，所述益处、优点、问题解决方案以及可使得任何益处、优点或解决方案出现或变得更为显著的任何元素都不应解释为本发明的关键、必需或必要特征或元素。因此本发明的范围仅受所附权利要求书的限制，其中除非明确说明，否则对单数形式的元素的提及并不意图表示“一个且仅有一个”，而是“一个或多个”。此外，在权利要求书中使用类似于“a、b或c中的至少一个”的短语的情况下，意图将所述短语解释为表示：a单独可存在于实施方案中，b单独可存在于实施方案中，c单独可存在于实施方案中，或者元素a、b和c的任何组合可存在于单一实施方案中；例如，a和b、a和c、b和c或者a和b和c。此外，本公开中的元素、部件或方法步骤并不意图奉献给公众，无论所述元素、部件或方法步骤是否在权利要求书中明确陈述。本文中没有权利要求元素要根据美国法典第35篇第112条(f)款的规定来加以解释，除非所述元素使用短语“用于…的装置”明确陈述。如本文所用，术语“包括(comprises/comprising)”或其任何其他变型形式意图涵盖非排他性的包括，以使得包括一系列元素的过程、方法、物品或设备不仅包括这些元素，而且可包括未明确列出或这种过程、方法、物品或设备所固有的其他元素。