用低粘度樹脂來滲透致密化的碳-碳復(fù)合材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及用低粘度樹脂來滲透致密化的碳-碳復(fù)合材料。在一個(gè)實(shí)例中，一種方法包括：經(jīng)由樹脂傳遞模塑(RTM)、真空瀝青滲透(VPI)和化學(xué)蒸氣滲透/化學(xué)氣相沉積(CVI/CVD)中的至少一種方式來使碳化預(yù)制坯致密化；熱處理已致密化的預(yù)制坯以打開已致密化的預(yù)制坯的內(nèi)部氣孔；和用低粘度樹脂滲透已致密化的預(yù)制坯的內(nèi)部氣孔，來增加預(yù)制坯的密度。
【專利說明】用低粘度樹脂來滲透致密化的碳-碳復(fù)合材料
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開涉及碳-碳復(fù)合材料。
【背景技術(shù)】
[0002]碳纖維增強(qiáng)碳材料，也稱為碳-碳(C-C)復(fù)合材料，是包括在碳材料的基體中得到增強(qiáng)的碳纖維的復(fù)合材料。C-C復(fù)合材料能夠被使用于許多高溫應(yīng)用中。例如，航空航天工業(yè)采用C-C復(fù)合材料作為用于商用和軍用航空器的摩擦材料，比如制動(dòng)器摩擦材料。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本文描述了用于形成碳-碳復(fù)合材料的裝置、系統(tǒng)和技術(shù)。本文還描述了由這些技術(shù)生成的碳-碳復(fù)合材料。例如已經(jīng)由真空壓力滲透(VPI)、樹脂傳遞模塑(RTM)和/或化學(xué)氣相沉積(CVD)/化學(xué)蒸氣滲透(CVI)得到致密化的碳化預(yù)制坯可以被熱處理，以打開致密化預(yù)制坯的內(nèi)部氣孔。為了使預(yù)制坯進(jìn)一步致密化，可以將低粘度樹脂滲入到致密化預(yù)制坯的內(nèi)部氣孔中。比起粘度相對(duì)較高的樹脂，通過使用粘度相對(duì)較低的樹脂，樹脂能夠更輕松地穿透預(yù)制坯的表面并填充內(nèi)部氣孔，從而允許由該工藝生成的C-C復(fù)合材料得到更高的最終密度。在一些實(shí)例中，所得到的C-C復(fù)合材料可以被用作摩擦材料，例如被用作航空器制動(dòng)盤。
[0004]在一方面中，本公開涉及一種方法，其包括:經(jīng)由樹脂傳遞模塑(RTM)、真空浙青滲透(VPI)和化學(xué)蒸氣滲透/化學(xué)氣相沉積(CVI/CVD)中的至少一種方式來使碳化預(yù)制坯致密化；熱處理已致密化的預(yù)制坯以打開已致密化的預(yù)制坯的內(nèi)部氣孔；和用低粘度樹脂滲透已致密化的預(yù)制坯的內(nèi)部氣孔，來增加預(yù)制坯的密度。
[0005]在另一方面中，本公開涉及一種碳-碳復(fù)合材料，其包括填充有低粘度樹脂的內(nèi)部氣孔，其中，所述內(nèi)部氣孔限定出小于大致10微米的孔隙度(porosity)，并且其中，所述低粘度樹脂在室溫呈現(xiàn)出小于大致1500厘泊的粘度。
[0006]一個(gè)或多個(gè)實(shí)例的細(xì)節(jié)在附圖和以下【具體實(shí)施方式】中給出。從【具體實(shí)施方式】和附圖以及權(quán)利要求書中，本公開的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將變得清楚明了。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是示出了一實(shí)例航空器制動(dòng)組件的示意性結(jié)構(gòu)圖。
[0008]圖2是流程圖，該圖中示出了依據(jù)本公開的多個(gè)方面的形成碳-碳復(fù)合材料的實(shí)例方法。
【具體實(shí)施方式】
[0009]在本文中描述了一些用于形成碳-碳復(fù)合材料的實(shí)例技術(shù)，以及使用這些技術(shù)形成的碳-碳復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)。已例如經(jīng)由VP1、RTM和/或CVD/CVI得到致密化的碳化預(yù)制坯可以被熱處理以打開致密化預(yù)制坯的內(nèi)部氣孔。為了使預(yù)制坯進(jìn)一步致密化，可以使低粘度樹脂滲入到致密化預(yù)制坯的內(nèi)部氣孔中。比起粘度相對(duì)較高的樹脂，通過使用粘度相對(duì)較低的樹脂，樹脂能夠更輕松地穿透預(yù)制坯的表面并填充內(nèi)部氣孔，從而允許由該工藝生成的C-C復(fù)合材料得到更高的最終密度。在一些實(shí)例中，所得C-C復(fù)合材料可以被用作摩擦材料，例如用作航空器制動(dòng)塊。
[0010]例如在航空航天應(yīng)用中使用的C-C復(fù)合材料比如制動(dòng)塊等可以由已經(jīng)使用各種致密化技術(shù)得到致密化的碳化預(yù)制坯形成。例如，可以使用VPI和/或RTM以液體浙青來使碳化預(yù)制坯致密化。作為另一實(shí)例，可以使用CVD/CVI以含碳材料來使碳化預(yù)制坯致密化。預(yù)制坯可以經(jīng)過多個(gè)周期的這種致密化工藝，來獲得呈現(xiàn)出所需最終密度的C-C復(fù)合材料。對(duì)于航空器制動(dòng)塊而言，在一些實(shí)例中，碳化預(yù)制坯可以呈圓環(huán)的形式，但是也可以使用其它形狀(例如，非環(huán)形部段)。
[0011]在一些實(shí)例中，在預(yù)制坯的致密化后，所得C-C材料可以經(jīng)受一個(gè)或多個(gè)熱處理周期，例如，用以設(shè)定碳性能屬性(摩擦、磨損、中斷起飛(RTO, rejected takeoff)和/或類似屬性)。然而，這種處理可能在最終的C-C復(fù)合材料中留下開口孔隙度。例如，對(duì)于受到浙青致密化的預(yù)制坯來說，熱處理能夠使浙青基體收縮，在材料內(nèi)引起增加的開口孔隙度。這種開口孔隙度可能是不希望的，因?yàn)樗鼤?huì)降低材料的最終密度。例如，在航空器制動(dòng)盤應(yīng)用中，降低的最終密度可能對(duì)RTO功效、制動(dòng)盤的磨損速率或者兩者具有不良影響。
[0012]依據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)實(shí)例，可以在例如經(jīng)由RTM、VPI和/或CVD/CVI使碳化預(yù)制坯致密化后，通過熱處理碳化預(yù)制坯來形成C-C復(fù)合材料，以打開致密化預(yù)制坯的內(nèi)部氣孔。然后，使粘度相對(duì)較低的樹脂滲入到預(yù)制坯中，以填充內(nèi)部氣孔。樹脂的粘度可以選擇成使得樹脂能夠到達(dá)材料的通過在先熱處理打開了的內(nèi)部氣孔。例如，樹脂的粘度可以選擇成使得樹脂穿透表面氣孔，以基本上封閉或者至少部分填充次表面氣孔，比如，位于C-C復(fù)合預(yù)制坯的相對(duì)外表面之間的大致半程的那些氣孔。
[0013]通過以這種樹脂填充內(nèi)部氣孔，相對(duì)于未向內(nèi)部氣孔中引入低粘度樹脂的實(shí)例來說，能夠增加C-C復(fù)合材料的 最終密度。最終密度的增加能夠提供一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)，比如，在例如被用作制動(dòng)塊時(shí)，允許C-C材料充當(dāng)更好的散熱器，以及允許由C-C材料形成的制動(dòng)盤獲得更好的性能。此外,從由C-C材料形成的部件的外表面到部件的內(nèi)部部分的密度的差別(其可以被稱為密度分布)能夠被降低，這是因?yàn)闃渲瑵B入到部件的C-C材料中以填充內(nèi)部氣孔，而不是只填充表面氣孔。對(duì)于這種C-C材料而言，零件的密度能夠更一致，并且在例如被用作制動(dòng)塊或者其它摩擦材料時(shí)，隨著表面材料的磨損而以較低的速率減小。
[0014]圖1是示出了一實(shí)例組件10的概念圖，所述實(shí)例組件10可以包括依據(jù)本公開的技術(shù)形成的一個(gè)或多個(gè)C-C復(fù)合材料部件。為了便于描述，將主要結(jié)合由C-C復(fù)合材料形成的航空器制動(dòng)盤來描述本公開的實(shí)例。然而，本公開的C-C復(fù)合材料可以用于形成除航空器制動(dòng)盤外的零件。例如，C-C復(fù)合材料可以用作其它類型的制動(dòng)應(yīng)用中的、以及比如熱交換器和熱屏蔽等其它應(yīng)用中的摩擦材料。
[0015]在圖1的實(shí)例中，航空器制動(dòng)組件10包括輪子12、致動(dòng)器組件14、制動(dòng)層疊體16和輪軸18。輪子12包括輪轂20、輪子外伸支架凸緣22、胎圈座24A和24B、長平頭螺栓26和四方螺母28。致動(dòng)器組件14包括致動(dòng)器殼體30、致動(dòng)器殼體螺栓32和壓頭(ram) 34。制動(dòng)層疊體16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38 ;轉(zhuǎn)子盤36構(gòu)造成相對(duì)于定子盤38移動(dòng)。轉(zhuǎn)子盤36通過梁鍵(beam keys) 40被安裝在輪子12上，特別是被安裝在輪轂20上。定子盤38通過花鍵(splines) 44被安裝在輪軸18上，特別是被安裝在轉(zhuǎn)矩管42上。輪子組件10可以支承任何種類的私有、商用或者軍用航空器。
[0016]輪子組件10包括輪子12，該輪子在圖1的實(shí)例中由輪轂20和輪子外伸支架凸緣22限定出。輪子外伸支架凸緣22通過長平頭螺栓26和四方螺母28以機(jī)械方式固定至輪轂20。輪子12限定出胎圈座24A和24B。組裝期間，可充氣的輪胎(未示出)可以被放置于輪轂20之上，并通過輪子外伸支架凸緣22固定在相反側(cè)上面。然后，可以將四方螺母28上緊到長平頭螺栓26上面，并且可以利用為可充氣輪胎提供不透氣密封的胎圈座24A和24B，對(duì)可充氣輪胎進(jìn)行充氣。
[0017]輪子組件10可以經(jīng)由轉(zhuǎn)矩管42和輪軸18安裝至航空器。在圖1的實(shí)例中，轉(zhuǎn)矩管42通過多個(gè)螺栓46固定至輪軸18。轉(zhuǎn)矩管42支承致動(dòng)器組件14和定子盤38。輪軸18可以安裝在著陸裝置(未示出)的支桿上，以將輪子組件10連接至航空器。
[0018]在航空器的操作期間，制動(dòng)有時(shí)可能是必要的，比如在著陸和滑行期間。因此，輪子組件10構(gòu)造成經(jīng)由致動(dòng)器組件14和制動(dòng)層疊體16向航空器提供制動(dòng)操作。致動(dòng)器組件14包括致動(dòng)器殼體30和壓頭34。致動(dòng)器組件14可以包括不同類型的致動(dòng)器，比如以下中的一個(gè)或多個(gè):例如，電-機(jī)械致動(dòng)器、液壓致動(dòng)器、氣動(dòng)致動(dòng)器、等等。操作期間，壓頭34可以延伸離開致動(dòng)器殼體30，以沿軸向?qū)χ鴫嚎s點(diǎn)48壓縮制動(dòng)層疊體16，用于制動(dòng)。
[0019]制動(dòng)層疊體16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38。轉(zhuǎn)子盤36通過梁鍵40被安裝在輪轂20上，以共同旋轉(zhuǎn)。定子盤38通過花鍵44被安裝在轉(zhuǎn)矩管42上。在圖1的實(shí)例中，制動(dòng)層疊體16包括四個(gè)轉(zhuǎn)子和五個(gè)定子。然而，在制動(dòng)層疊體16中可以包括不同數(shù)量的轉(zhuǎn)子和/或定子。此外，轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置可以相反，例如，使得轉(zhuǎn)子盤36被安裝在轉(zhuǎn)矩管42上，而定子盤38被安裝在輪轂20上。
[0020]轉(zhuǎn)子盤 36和定子盤38可以提供相對(duì)的摩擦表面來制動(dòng)航空器。隨著移動(dòng)的航空器的動(dòng)能被轉(zhuǎn)化成制動(dòng)層疊體16中的熱能，在制動(dòng)層疊體16中溫度可能快速地增加，例如，超過200攝氏度。對(duì)于一些航空器而言，緊急制動(dòng)(例如，RT0)可能導(dǎo)致溫度超出500攝氏度，并且在一些情況下，甚至超過800攝氏度。這樣，形成制動(dòng)層疊體16的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以包括能夠在這樣的溫度下進(jìn)行操作的、堅(jiān)固的熱穩(wěn)定材料。在一個(gè)實(shí)例中，轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38由金屬合金，比如,基于N1、Co、Fe等的超級(jí)合金(超耐熱合金，super alloy),形成。
[0021]在另一實(shí)例中，轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38由根據(jù)本公開的一種或多種實(shí)例技術(shù)制成的C-C復(fù)合材料形成。特別是，轉(zhuǎn)子盤36中的至少一個(gè)和/或定子盤38中的至少一個(gè)可以由碳基纖維材料形成，所述碳基纖維材料是通過用低粘度浙青滲透致密化的碳化預(yù)制坯以填充材料的開放內(nèi)部氣孔而形成的。如以上指出的，這些技術(shù)與一些實(shí)例相比能夠增加C-C復(fù)合材料的最終密度，在所述一些實(shí)例中:盤由碳基纖維材料形成，而所述碳基纖維材料是通過在沒有低粘度浙青滲透的情況下滲透致密化的碳化預(yù)制坯而形成的。另外，本文所描述的使用低粘度浙青滲透致密化預(yù)制坯來形成制動(dòng)盤(或者其它部件)的技術(shù)能夠得到更均勻的全厚度(through thickness)密度。
[0022]轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以由相同材料或者不同材料形成。例如，輪子組件10可以包括金屬轉(zhuǎn)子盤36和C-C復(fù)合定子盤38，或者反之亦然。此外，轉(zhuǎn)子盤36的每個(gè)盤和/或定子盤38的每個(gè)盤可以由相同材料形成，或者轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38中的至少一個(gè)盤可以由不同于轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38中的至少一個(gè)其它盤的材料形成。
[0023]如簡(jiǎn)要地指出的，在一些實(shí)例中，轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以分別通過梁鍵40和花鍵44安裝在輪子組件10中。在一些實(shí)例中，梁鍵40可以圍繞輪轂20的內(nèi)部沿周向分隔開。梁鍵40可以例如成形有相對(duì)的端部(例如，矩形的相反側(cè))，并且可以使一端以機(jī)械方式固定至輪轂20的內(nèi)部，而相反端以機(jī)械方式固定至輪轂20的外部。梁鍵40可以與輪轂20 —體形成，或者也可以與輪轂20分離并以機(jī)械方式固定至輪轂20，例如用以在轉(zhuǎn)子盤36與輪轂20之間提供熱障。為了這一目的，在不同實(shí)例中，輪子組件10可以包括熱屏蔽(未示出)，該熱屏蔽沿徑向延伸出去，并在外面圍繞制動(dòng)層疊體16，例如，用以限制制動(dòng)層疊體16與輪子12之間的熱轉(zhuǎn)移。 [0024]在一些實(shí)例中，花鍵44可以圍繞轉(zhuǎn)矩管42的外部沿周向分隔開?；ㄦI44可以例如與轉(zhuǎn)矩管42 —體形成，或者也可以與轉(zhuǎn)矩管42分離并以機(jī)械方式固定至轉(zhuǎn)矩管42。在一些實(shí)例中，花鍵44可以在轉(zhuǎn)矩管42中限定出橫向溝槽。這樣，定子盤38可以包括多個(gè)沿徑向向內(nèi)設(shè)置的切口，這些切口構(gòu)造成插入花鍵中。
[0025]因?yàn)榱烘I40和花鍵44可以分別與轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38熱接觸，所以梁鍵40和/或花鍵44可以由熱穩(wěn)定材料制成，所述熱穩(wěn)定材料包括例如以上相對(duì)于轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38所討論的那些材料。因此，在一些實(shí)例中，本公開的實(shí)例技術(shù)可以用于形成用于輪子組件10的梁鍵和/或花鍵。
[0026]圖1所示的實(shí)例組件10僅僅是一個(gè)實(shí)例。在其它實(shí)例中，組件10和組件10的部件(例如，輪子10、致動(dòng)器組件14、制動(dòng)層疊體16和輪軸18)可以具有另一種適當(dāng)?shù)臉?gòu)造。
[0027]圖2是流程圖，示出了依據(jù)本公開的一些方面的形成C-C復(fù)合體的實(shí)例技術(shù)。可能希望的是使C-C復(fù)合體致密化，以改善復(fù)合體的熱傳導(dǎo)性，在一些情況下，隨著C-C復(fù)合體的密度的增加，復(fù)合體導(dǎo)熱越好，并且復(fù)合體越好地起到散熱器的作用。在一些實(shí)例中，由其形成C-C復(fù)合體的C-C復(fù)合材料可以受到足夠多次的致密化步驟，以得到處于大約1.5克每立方厘米(g/cc)到大約1.9g/cc之間的最終密度，比如處于大約1.5g/cc到大約1.85g/cc 之間。
[0028]如圖2所示，可以用浙青樹脂來使碳化預(yù)制坯致密化(50)?？梢允褂萌我膺m當(dāng)?shù)奶蓟A(yù)制坯。在一些實(shí)例中，可以采用如下方法來形成碳化預(yù)制坯:將多個(gè)部分的碳纖維原絲材料(比如聚丙烯腈(PAN)或者人造纖維)縫合起來(needling together),并例如經(jīng)由熱處理使碳纖維原絲材料碳化以形成碳化預(yù)制坯。替代地或附加地，預(yù)制坯可以由比如碳化織物等碳化材料形成，所述碳化織物由比如碳化PAN纖維等碳化纖維形成，所述碳化纖維可以被縫合起來以形成碳化預(yù)制還。
[0029]在一些實(shí)例中，可以使用一個(gè)或多個(gè)周期的真空壓力滲透(VPI)和/或樹脂傳遞模塑(RTM)用液體浙青樹脂來使碳化預(yù)制坯致密化(50)。浙青可以包括例如各向同性浙青或者中間相浙青中的至少一種。浙青可以是高碳產(chǎn)出浙青樹脂。在一些實(shí)例中，浙青可以是石油浙青、煤焦油浙青或者合成浙青中的至少一種。
[0030]在VPI的一些實(shí)例中，碳-碳復(fù)合預(yù)制坯在惰性條件下被加熱至大大高于浸潰浙青的熔點(diǎn)。然后，通過排空預(yù)制坯來去除碳-碳復(fù)合預(yù)制坯的氣孔中的氣體。最后，在整體壓力返回一個(gè)大氣壓或以上時(shí)，熔融浙青被允許滲透預(yù)制坯的氣孔。在VPI工藝中，一定體積的樹脂或者浙青在一個(gè)容器中被熔化，同時(shí)多孔性碳-碳復(fù)合預(yù)制坯在真空下被容納在第二容器中。使用真空和壓力的組合，使熔融樹脂或者浙青從第一個(gè)容器轉(zhuǎn)移到被容納在第二容器中的多孔性預(yù)制坯中。
[0031]在RTM的一些實(shí)例中，將碳-碳復(fù)合預(yù)制坯放置到與所需零件幾何結(jié)構(gòu)匹配的模具中。通常，使用壓力在低溫(50°C至150°C )將熱固性樹脂注射或者在真空下誘導(dǎo)到容納在模具內(nèi)的多孔性碳-碳復(fù)合預(yù)制坯中。樹脂在從模具中被取出之前在模具內(nèi)固化。US6，537，470 BI (Wood等人)描述了一種更靈活的RTM工藝，其能夠利用高粘度的樹脂或者浙青。US 6，537，470 BI的整個(gè)公開內(nèi)容通過引用并入本文。
[0032]替代地或附加地，可以使用化學(xué)氣相沉積(CVD)/化學(xué)蒸氣滲透(CVI)以含碳材料來使碳化預(yù)制坯致密化。在圖2的實(shí)例中，用浙青得到致密化(50)的碳化預(yù)制坯隨后經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)周期的CVD/CVI被致密化，以進(jìn)一步致密化材料(52)。在CVD/CVI的一些實(shí)例中，碳-碳復(fù)合預(yù)制坯在惰性氣體的覆蓋下在蒸餾器中被加熱，比如在低于100托的壓力下。當(dāng)碳-碳復(fù)合預(yù)制坯達(dá)到處于大約900°C到大約1200°C之間的溫度時(shí)，以含碳?xì)怏w取代惰性氣體，比如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯、或者乙炔、或者這些氣體中至少兩種的組合。當(dāng)含碳?xì)怏w圍繞且穿過碳-碳復(fù)合預(yù)制坯流動(dòng)時(shí)，發(fā)生一組復(fù)雜的脫氫、冷凝和聚合反應(yīng)，從而將碳原子沉積在內(nèi)部?jī)?nèi)，并沉積到碳-碳復(fù)合預(yù)制坯的表面上。隨著時(shí)間的推移，當(dāng)越來越多的碳原子沉積到碳-碳復(fù)合預(yù)制坯中的氣孔的表面上時(shí)，碳-碳復(fù)合預(yù)制坯變得更致密。該工藝可以被稱為致密化，因?yàn)樘?碳復(fù)合預(yù)制坯中的開放空間最終被碳基體填滿，直到形成大體實(shí)心的碳零件?；趬毫?、溫度和氣體組分，沉積碳的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和順序能夠得到控制，產(chǎn)生出從各向同性碳到高度地各向異性的有序碳的任何東西。其整個(gè)公開通過引用并入本文的美國專利申請(qǐng)
【發(fā)明者】M.L.拉富里斯特, S.弗里斯卡 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國際公司