本公開涉及碳復(fù)合材料，例如用于制動(dòng)摩擦材料中的碳碳復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

碳纖維加強(qiáng)碳材料（也稱為碳碳復(fù)合材料）是包括在碳材料基體中加強(qiáng)的碳纖維的復(fù)合材料。碳碳復(fù)合部件可以用于許多高溫應(yīng)用中。例如，航天航空工業(yè)使用碳碳復(fù)合部件作為摩擦材料用于商業(yè)和軍用飛機(jī)，諸如制動(dòng)摩擦材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

描述了用于形成碳碳復(fù)合部件的設(shè)備、系統(tǒng)和技術(shù)，碳碳復(fù)合部件包括密實(shí)的碳纖維層。在一些示例中，本公開描述了一種用于形成密實(shí)的碳碳復(fù)合部件的方法，密實(shí)的碳碳復(fù)合部件由多個(gè)單獨(dú)的密實(shí)的碳纖維層構(gòu)成。密實(shí)的碳碳復(fù)合部件的單獨(dú)的密實(shí)層可以在逐層的基礎(chǔ)上形成，由于密實(shí)層中的每一個(gè)可以通過首先在之前形成的密實(shí)層上形成碳纖維層并接著例如在添加另一個(gè)碳纖維層之前使碳纖維層密實(shí)而形成。每個(gè)碳纖維層可以通過例如經(jīng)由沉積樹脂和/或施加化學(xué)氣相沉積（CVD）的三維打印系統(tǒng)在添加的碳纖維層上沉積樹脂和/或在添加的碳纖維層上施加CVD來密實(shí)。形成另外的單獨(dú)的密實(shí)層的過程可以被重復(fù)直到碳碳復(fù)合部件具有希望的幾何形狀（例如厚度）并且密度通過多個(gè)單獨(dú)的密實(shí)的碳纖維層生成。

在一些示例中，本公開指向一種方法，通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭在碳纖維層上沉積樹脂或通過打印頭在碳纖維層上施加CVD中的至少一種方式密實(shí)碳纖維層；以及在密實(shí)的碳纖維層上形成至少一個(gè)另外的密實(shí)的碳纖維層，其中形成至少一個(gè)另外的密實(shí)的碳纖維層包括：對(duì)于至少一個(gè)另外的層中的每個(gè)相應(yīng)的層，在密實(shí)的碳纖維層上添加另外的碳纖維層并且通過在另外的碳纖維層上沉積樹脂或在另外的碳纖維層上施加CVD中的至少一種方式密實(shí)另外的碳纖維層。

在一些示例中，本公開指向一種碳碳復(fù)合材料，其包括多個(gè)密實(shí)的碳纖維層，多個(gè)密實(shí)的碳纖維層包括通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭在第一碳纖維層上沉積樹脂或經(jīng)由打印頭在第一碳纖維層上施加CVD中的至少一種方式而進(jìn)行密實(shí)的密實(shí)的碳纖維的第一層，和沉積在密實(shí)的碳纖維的第一層上并且隨后通過經(jīng)由打印頭在第二碳纖維層上沉積樹脂或經(jīng)由打印頭在第二碳纖維層上施加CVD中的至少一種方式而在密實(shí)的碳纖維的第一層上進(jìn)行密實(shí)的密實(shí)的碳纖維的第二層。

在一些示例中，本公開指向一種系統(tǒng)，其包括構(gòu)造為相對(duì)于工作表面沉積CVD氣體或沉積樹脂中至少一種的打印頭；以及控制器，構(gòu)造為控制相對(duì)于工作表面沉積CVD氣體或沉積樹脂中的至少一種以形成多個(gè)密實(shí)的碳纖維層，其中多個(gè)密實(shí)的碳纖維層中的每一層通過經(jīng)由打印頭在碳纖維層上沉積樹脂或經(jīng)由打印頭在碳纖維層上沉積CVD氣體中的至少一種而形成。

一個(gè)或多個(gè)示例的細(xì)節(jié)在附圖和下面的描述中進(jìn)行闡述。本公開的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)從描述和附圖以及根據(jù)權(quán)利要求是顯而易見的。

附圖說明

圖1是示出示例性飛機(jī)制動(dòng)組件的示意結(jié)構(gòu)圖。

圖2是示出示例性添加制造系統(tǒng)的示意圖，其可以用于制造示例性碳碳復(fù)合部件。

圖3是示出根據(jù)本公開的各方面的通過在碳纖維層上施加化學(xué)氣相沉積而形成碳碳復(fù)合部件的示例性技術(shù)的流程圖。

圖4是示出了根據(jù)本公開的各方面的通過在碳纖維層上沉積樹脂而形成碳碳復(fù)合部件的示例性技術(shù)的流程圖。

圖5是示出了根據(jù)本公開的各方面的通過在碳纖維層上沉積樹脂和施加化學(xué)氣相沉積而形成碳碳復(fù)合部件的示例性技術(shù)的流程圖。

圖6是示出了示例性碳碳復(fù)合部件的概念圖。

具體實(shí)施方式

本文描述了用于形成密實(shí)的碳碳復(fù)合部件的示例性技術(shù)。在一些示例中，密實(shí)的碳碳復(fù)合部件可以用作摩擦材料，例如作為飛機(jī)制動(dòng)盤。在飛機(jī)制動(dòng)墊片的情況下，在一些示例中，碳碳復(fù)合部件可以采用環(huán)形圈的形式，盡管還可以使用其他形狀。

例如使用在航天航空應(yīng)用（諸如制動(dòng)墊片）中的密實(shí)的碳碳復(fù)合部件可以由碳纖維預(yù)制件形成，所述碳纖維預(yù)制件已使用多種密實(shí)技術(shù)進(jìn)行密實(shí)。例如碳纖維預(yù)制件可以通過層疊由紡織或無紡碳纖維形成的織物薄片而形成，其可以隨后通過化學(xué)氣相浸透（CVI）或化學(xué)氣相沉積（CVD）整體地進(jìn)行密實(shí)而實(shí)現(xiàn)顯示希望的最終密度的碳碳復(fù)合部件。但是這樣的技術(shù)可能是緩慢的并且采取幾種應(yīng)用以達(dá)到希望的最終密度。附加地或替代地，預(yù)制件可以通過使用例如真空壓力浸透（VPI）用液態(tài)樹脂浸透整個(gè)預(yù)制件和/或跟隨有樹脂的碳化的樹脂轉(zhuǎn)移成型（RTM）進(jìn)行密實(shí)。這些技術(shù)可能比CVI/CVD更快但是可能導(dǎo)致在整個(gè)碳碳復(fù)合部件上不均勻的密度梯度，這可能需要進(jìn)一步的處理以獲得希望的密度。

根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)示例，碳碳復(fù)合部件可以包括多個(gè)單獨(dú)的密實(shí)的碳纖維層。密實(shí)的碳碳復(fù)合部件的單個(gè)密實(shí)層可以在逐層的基礎(chǔ)上形成，由于密實(shí)的層中的每一個(gè)可以通過首先在之前形成的密實(shí)的層上形成碳纖維層，并接著例如在添加另一個(gè)碳纖維層之前密實(shí)碳纖維層。每個(gè)碳纖維層可以通過例如經(jīng)由沉積樹脂和/或施加化學(xué)氣相沉積（CVD）的三維打印系統(tǒng)在添加的碳纖維層上沉積樹脂和/或在添加的碳纖維層上施加CVD而密實(shí)。形成另外的單獨(dú)的密實(shí)的層的過程可以被重復(fù)直到具有希望的厚度和密度的碳碳復(fù)合部件由多個(gè)單獨(dú)的密實(shí)的碳纖維層制成。

本公開的示例可以提供一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，通過限制過多的碳纖維和碳基體材料而減少的材料的制造成本，以及通過一次密實(shí)單個(gè)的層而增加或設(shè)計(jì)的限定的產(chǎn)品的均勻性。如果以這樣的方式設(shè)計(jì)，這可以賦予耐磨和止停性能以及阻止材料的氧化。

圖1是可以包括根據(jù)本公開的技術(shù)形成的一個(gè)或多個(gè)碳碳復(fù)合部件的示例性組件10的概念圖。為了易于描述，本公開的示例將主要關(guān)于由碳碳復(fù)合部件形成的飛機(jī)制動(dòng)盤進(jìn)行描述。但是本公開的技術(shù)可以用于形成除了飛機(jī)制動(dòng)盤以外的碳碳復(fù)合部件。例如碳碳復(fù)合部件可以用作在其他類型的制動(dòng)應(yīng)用中的摩擦材料，以及用于諸如像熱交換器和熱屏障的其他應(yīng)用中。

在圖1的示例中，飛機(jī)制動(dòng)組件10包括輪12、致動(dòng)器組件14、制動(dòng)疊層組件16和軸18。輪12包括輪轂20、輪外伸架凸緣22、胎圈密封膠24A和24B、長(zhǎng)平頭螺栓26和四方螺帽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和撞擊件34。制動(dòng)疊層組件16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38；轉(zhuǎn)子盤36被構(gòu)造成相對(duì)于定子盤38移動(dòng)。轉(zhuǎn)子盤36通過梁式鍵40安裝至輪12，并且特別是安裝至輪轂20。定子盤38通過花鍵44安裝至軸18，并且特別地安裝到扭矩管42。輪組件10可以支撐任何種類的私人、商業(yè)或軍用飛機(jī)。

輪組件10包括輪12，輪12在圖1的示例中通過輪轂20和輪外伸架凸緣22限定。輪外伸架凸緣22通過長(zhǎng)平頭螺栓26和四方螺帽28機(jī)械地固定至輪轂20。輪12限定胎圈密封膠24A和24B。在組裝期間，可充氣輪胎（未示出）可以放置在輪轂20之上并且由輪外伸架凸緣22固定在相對(duì)側(cè)上。之后，四方螺帽28可以被緊固在長(zhǎng)平頭螺栓26上，并且可充氣輪胎可與胎圈密封膠24A和24B一起膨脹，從而提供可充氣輪胎的不透氣的密封。

輪組件10可以通過扭矩管42和軸18安裝在飛機(jī)上。在圖1的示例中，扭矩管42通過多個(gè)螺栓16固定至軸18。扭矩管42支撐致動(dòng)器組件14和定子38。軸18可以安裝至起落架（未示出）的支柱上以將輪組件10連接至飛機(jī)。

在飛機(jī)的操作期間，制動(dòng)可能是不時(shí)地必要的，諸如在著陸和滑行期間。輪組件10被構(gòu)造成通過致動(dòng)器組件14和制動(dòng)疊層組件16提供對(duì)飛機(jī)的制動(dòng)功能。致動(dòng)器組件14包括致動(dòng)器殼體30和撞擊件34。致動(dòng)器組件14可以包括不同種類的致動(dòng)器，諸如像機(jī)電致動(dòng)器、液壓致動(dòng)器、氣動(dòng)致動(dòng)器或類似致動(dòng)器中的一個(gè)或多個(gè)。在操作期間，撞擊件34可以從致動(dòng)器殼體30延伸離開以軸向地將制動(dòng)疊層組件16壓縮在壓縮點(diǎn)48上以用于制動(dòng)。

制動(dòng)疊層組件16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38。轉(zhuǎn)子盤36通過梁式鍵40安裝至輪轂20以共同旋轉(zhuǎn)。定子盤38通過花鍵44安裝至扭矩管42。在圖1的示例中，制動(dòng)疊層組件16包括四個(gè)轉(zhuǎn)子和五個(gè)定子。但是在其他示例中在制動(dòng)疊層組件16中可以包括不同數(shù)量的轉(zhuǎn)子和/或定子。而且，轉(zhuǎn)子和定子的相對(duì)位置可以是相反的，例如，使得轉(zhuǎn)子盤36安裝至扭矩管42并且定子盤38安裝至輪轂20。

轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以提供相對(duì)摩擦表面用于制動(dòng)飛機(jī)。由于移動(dòng)的飛機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成制動(dòng)疊層組件16中的熱能，所以制動(dòng)疊層組件16中的溫度可以快速升高例如超過200攝氏度。對(duì)于一些飛機(jī)，緊急制動(dòng)（例如中斷起飛）可以導(dǎo)致部件溫度超過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)疊層組件16的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以包括能夠在這些溫度下操作的堅(jiān)固的熱穩(wěn)定的材料。

在一個(gè)示例中，轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38可以由根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)示例性技術(shù)（例如關(guān)于圖2描述的技術(shù)）制造的碳碳復(fù)合材料形成。特別地，至少一個(gè)轉(zhuǎn)子盤36和/或至少一個(gè)定子盤38可以由通過本公開的一個(gè)或多個(gè)示例性技術(shù)生產(chǎn)的碳碳復(fù)合部件形成。轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以由相同材料或不同材料形成。例如，輪組件10可以包括金屬轉(zhuǎn)子盤36和碳碳復(fù)合定子盤38，或反之亦然。而且，轉(zhuǎn)子盤36中的每個(gè)盤和/或定子盤38中的每個(gè)盤可以由相同的材料形成，或者轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38中的至少一個(gè)盤可以由與轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38中的至少另一個(gè)盤不同的材料形成。

如簡(jiǎn)單提到的，在一些示例中，轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以分別通過梁式鍵40和花鍵44安裝在輪組件10中。在一些示例中，梁式鍵40可以圍繞輪轂20的內(nèi)部在周向上間隔開。梁式鍵40可以例如成形成具有相對(duì)端部（例如矩形的相對(duì)側(cè)）并且可以使一個(gè)端部機(jī)械地固定至輪轂20的內(nèi)部并且使相對(duì)的端部機(jī)械地固定至輪轂20的外部。梁式鍵40可以與輪轂20整體地形成或可以與輪轂20分離并機(jī)械地固定至輪轂20，例如以提供轉(zhuǎn)子盤36和輪轂20之間的熱屏障。朝向那個(gè)端部，在不同的示例中，輪組件10可以包括熱罩（未示出），熱罩圍繞制動(dòng)疊層組件16徑向并向外地延伸出例如以限制制動(dòng)疊層組件16和輪12之間的熱轉(zhuǎn)移。

在一些示例中，花鍵44可以圍繞扭矩管42的外部周向地間隔開?；ㄦI44可以例如與扭矩管42整體地形成，或可以與扭矩管42分離并機(jī)械地固定至扭矩管42。在一些示例中，花健44可以在扭矩管42內(nèi)限定橫向的凹槽。這樣，定子盤38可以包括構(gòu)造成能被插入花鍵內(nèi)的多個(gè)徑向向內(nèi)設(shè)置的凹口。

因?yàn)榱菏芥I40和花鍵44可以分別與轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38熱接觸，所以梁式鍵40和/或花鍵44可以由包括例如關(guān)于轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38的上述那些材料的熱穩(wěn)定材料制成。因此，在一些示例中，本公開的示例性技術(shù)可以用于形成用于輪組件10的梁式鍵和/或花鍵。

圖1中示出的示例性組件10僅是一個(gè)示例。在其他示例中，組件10和組件10的部件（例如輪10、致動(dòng)器組件14、制動(dòng)疊層組件16和軸18）可以具有另外的適合構(gòu)造。此外，在其他示例中，由示例性碳纖維預(yù)制件產(chǎn)生的本文描述的碳碳復(fù)合部件可以用于形成其他結(jié)構(gòu)，除了（或替代地）盤36、38、鍵40和花鍵44中的一個(gè)或多個(gè)。

圖6是示出根據(jù)本公開的各方面的示例性碳碳復(fù)合部件92的概念圖。部件92可以是圖1中的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38的環(huán)形圈形式的示例。碳纖維部件92由密實(shí)的碳纖維材料94形成，并且包括多個(gè)單獨(dú)的密實(shí)的碳纖維層（在圖2中未示出）。如本文所述，密實(shí)的單獨(dú)層可以順序地形成在彼此上，其中單獨(dú)層的組合限定材料94。但是，例如密實(shí)的材料94的相應(yīng)層可以在單獨(dú)的基礎(chǔ)上進(jìn)行密實(shí)，而不是將包括多個(gè)碳纖維層的纖維預(yù)制件整體地進(jìn)行密實(shí)。例如，每個(gè)單獨(dú)層可以通過以下過程形成，包括：形成碳纖維層，通過在碳纖維層上沉積樹脂和/或在碳纖維層上施加CVD而使碳纖維層密實(shí)。一旦碳纖維層已被密實(shí)，另一個(gè)碳纖維層就可以形成在密實(shí)的碳纖維上，并且該新的碳纖維層也可以通過在碳纖維層上沉積樹脂和/或施加CVD而進(jìn)行密實(shí)。該過程可以重復(fù)直到層的組合形成顯示希望的三維幾何形狀的密實(shí)的碳碳復(fù)合材料，諸如像材料94。如本文進(jìn)一步描述的，可以經(jīng)由三維打印系統(tǒng)執(zhí)行通過在碳纖維層沉積樹脂和/或在碳纖維層上施加CVD而進(jìn)行的碳纖維層的密實(shí)。

圖2是示出可以用于通過添加制造過程而形成密實(shí)的碳碳復(fù)合部件92的示例性三維打印系統(tǒng)50的示意圖。但是，可以預(yù)期其他系統(tǒng)或用于形成密實(shí)的碳碳復(fù)合部件層的系統(tǒng)的組合。

如所示出的，系統(tǒng)60包括樹脂進(jìn)料器52，其輸送用于密實(shí)碳纖維層的樹脂材料至可移動(dòng)的樹脂打印頭56。在一些示例中，樹脂材料可以是樹脂材料的預(yù)制小球或螺旋環(huán)的形式。樹脂進(jìn)料器52隨后可以將樹脂材料加熱至熔化抗氧化劑材料的溫度或以其他方式軟化樹脂材料（以允許加熱的材料流出由可移動(dòng)打印頭68限定的一個(gè)或多個(gè)出口的方式）的溫度。例如樹脂打印頭56可以包括限定一個(gè)或多個(gè)孔的金屬印模，通過一個(gè)或多個(gè)孔在3D打印過程期間抗氧化劑材料被擠出（例如通過施加高壓）。樹脂打印頭56的金屬印模的一個(gè)或多個(gè)孔可以具有允許打印的樹脂材料在例如通過擠壓過程被擠出樹脂打印頭56時(shí)具有希望的截面的幾何形狀。

流出樹脂打印頭56的樹脂材料可以被引向工作表面62，例如在沉積過程期間一個(gè)或多個(gè)碳纖維層可以被固定的地方。流出打印頭56的樹脂材料可以被引向相對(duì)的碳纖維層上的希望位置以使用沉積的樹脂材料以希望的方式使碳纖維層密實(shí)。沉積的樹脂材料可以允許冷卻以形成嵌在沉積的樹脂材料中的固態(tài)碳纖維層。樹脂材料可以在打印過程期間經(jīng)由樹脂打印頭56在連續(xù)或不連續(xù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行沉積，并且樹脂打印頭56在三維空間中相對(duì)工作表面62上的碳纖維層的位置可以在連續(xù)或不連續(xù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行調(diào)整。

如圖2所示，系統(tǒng)50還包括CVD進(jìn)料器54，其向可移動(dòng)的氣體沉積打印頭58供應(yīng)適合于碳纖維層的CVD的氣體。來自CVD進(jìn)料器54的氣體流出由可移動(dòng)氣體沉積打印頭68限定的一個(gè)或多個(gè)出口，并且可以被引向固定在工作表面62上的一個(gè)或多個(gè)碳纖維層。在一些示例中，用于CVD進(jìn)料器54的氣體可以被存儲(chǔ)在壓力箱中或通過用于大容量應(yīng)用的常態(tài)氣體輸送方法（諸如通過公用系統(tǒng)）輸送。用于CVD進(jìn)料器54的氣體可以被輸送通過可移動(dòng)氣體沉積打印頭68中的噴嘴，噴嘴可以如在產(chǎn)品設(shè)計(jì)期間規(guī)定的控制CVD氣體的流量和方向。

此外，系統(tǒng)50還包括可移動(dòng)的激光器60。激光器頭60可能被構(gòu)造成例如將通過樹脂打印頭56沉積在碳纖維層上的樹脂加熱至升高的溫度。例如樹脂可以通過激光器頭60加熱以包括例如在碳纖維層內(nèi)的樹脂的部分聚合/交聯(lián)。在另一個(gè)示例中，激光器頭60可以被構(gòu)造成將樹脂加熱至足夠高的溫度以使得樹脂經(jīng)歷碳化。在一些示例中，樹脂可以使用相同的打印系統(tǒng)50沉積和碳化，并且可以在添加另一個(gè)碳纖維層之前進(jìn)行。附加地或替代地，可以在基本上已形成所有密實(shí)的碳纖維材料層之后碳化樹脂。例如在一些示例中，感應(yīng)加熱方法可以應(yīng)用于具有沉積的樹脂的層以將樹脂轉(zhuǎn)化成固化的或碳化的狀態(tài)。例如，具有沉積的樹脂的層可以形成在工作表面62上，其可以被加熱至設(shè)計(jì)規(guī)定的和受控的溫度。工作表面62的升高的溫度隨后可以使得樹脂固化或轉(zhuǎn)變成希望的狀態(tài)。

在圖2示出的示例中，系統(tǒng)50包括控制器64，其可以在經(jīng)由樹脂打印頭56在碳纖維層上沉積樹脂和/或經(jīng)由氣體沉積打印頭58向碳纖維層施加氣體的過程期間控制系統(tǒng)50的操作。例如，在密實(shí)過程期間，控制器64可以控制操縱臂66的移動(dòng)。操縱臂66可以包括附接至可移動(dòng)樹脂打印頭66、氣體沉積打印頭58和/或激光器60的一個(gè)或多個(gè)臂。例如，操縱臂可以包括分別附接至可移動(dòng)樹脂打印頭66、氣體沉積打印頭58和激光器60的三個(gè)單獨(dú)的操縱臂。在其他示例中，單獨(dú)的操縱臂可以附接至可移動(dòng)樹脂打印頭66、氣體沉積打印頭58和激光器60中的多個(gè)。通過移動(dòng)操縱臂66，控制器64可以控制可移動(dòng)樹脂打印頭66、氣體沉積打印頭58和激光器60相對(duì)于固定在工作表面66上的碳纖維層的位置。

可移動(dòng)樹脂打印頭66、氣體沉積打印頭58和激光器60中的一個(gè)或多個(gè)在x、y和z方向的每個(gè)內(nèi)可以是可移動(dòng)的。以這種方式，控制器70可以控制可移動(dòng)樹脂打印頭66、氣體沉積打印頭58和/或激光器60相對(duì)于工作表面62上的碳纖維層的位置，以使得通過樹脂打印頭56沉積的樹脂、從氣體沉積打印頭58流出的氣體和來自激光器60的激光聚焦以希望的方式使碳纖維層密實(shí)。附加地或替代地，在密實(shí)過程期間，控制器70可以通過移動(dòng)工作表面66來控制樹脂打印頭66、氣體沉積打印頭58和/或激光器60相對(duì)于工作表面66的位置，而不是使工作表面66保持固定。在一些示例中，步進(jìn)式電動(dòng)機(jī)、伺服式電動(dòng)機(jī)或其他適合的裝置可以用于移動(dòng)樹脂打印頭66、氣體沉積打印頭58和/或激光器60?？刂破?4可以分別調(diào)整流出樹脂打印頭66和氣體沉積打印頭58的樹脂和氣體的溫度、壓力和/或流速，以及調(diào)整激光器60的位置和強(qiáng)度以提供碳纖維層的希望的密實(shí)。此外，控制器64可以控制密實(shí)過程的一個(gè)或多個(gè)其他因素，諸如像流向和周圍工作區(qū)域的環(huán)境狀況。

在一些示例中，控制器64可以包括能夠響應(yīng)于接收到的和/或儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)而執(zhí)行和/或輸出命令信號(hào)的一個(gè)微處理器或多個(gè)微處理器。控制器64可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器，包括一個(gè)或多個(gè)微處理器、數(shù)據(jù)信號(hào)處理器（DSP）、特定應(yīng)用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)或任意其他等效的集成或分立的邏輯電路以及這些部件的任何組合。術(shù)語“處理器”或“處理電路”可以總體上指前述邏輯電路單獨(dú)或與其他邏輯電路組合的任一個(gè)，或者任意其他等效電路。控制器64可以包括計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，諸如只讀存儲(chǔ)器（ROM）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和/或快閃存儲(chǔ)器，或用于運(yùn)行應(yīng)用程序和處理數(shù)據(jù)以控制與系統(tǒng)50相關(guān)的操作的任何其他部件。因此，在一些示例中，控制器64可以包括存儲(chǔ)作為一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)設(shè)備和/微處理器中的硬件、軟件和/或固件的指令和/或數(shù)據(jù)。在一些示例中，控制器64可以使用在微控制器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）軟件包控制系統(tǒng)50?？刂破?4可以包括多個(gè)控制器或僅包括單個(gè)控制器。

雖然系統(tǒng)50包括用于向工作表面62上的樹脂沉積和CVD施加的構(gòu)造，但是根據(jù)本公開其他構(gòu)造也可預(yù)期。例如，根據(jù)應(yīng)用的技術(shù)，液態(tài)樹脂和CVD氣體可以使用相同或不同的打印頭或相同或不同的打印系統(tǒng)而進(jìn)行施加。在一些示例中，可以僅使用涉及沉積樹脂的技術(shù)或僅使用涉及施加CVD的技術(shù)來形成密實(shí)的碳纖維層。在這些示例中，打印系統(tǒng)50可以被構(gòu)造用于僅實(shí)現(xiàn)希望的密實(shí)技術(shù)。

在一些示例中，打印系統(tǒng)50可以被構(gòu)造成在通過沉積樹脂或施加CVD進(jìn)行密實(shí)之前還形成碳纖維層。以此方式，密實(shí)的層可以通過首先經(jīng)由三維打印系統(tǒng)50（在圖2中未示出）上的打印頭在工作表面62上沉積碳纖維材料而形成。碳纖維材料可以直接沉積在工作表面62上以例如形成第一碳纖維層或間接地沉積在工作表面62上，例如其中用于密實(shí)的沉積的碳纖維被形成在之前的密實(shí)的碳纖維層上。

替代地，在一些示例中，碳纖維層可以是預(yù)制的。例如碳纖維層可以是由紡織或無紡碳纖維形成的織物薄片的形式或包括碳纖維前體，諸如聚丙烯腈（PAN）或人造纖維絲，其可以通過碳化過程轉(zhuǎn)變成碳纖維。在一些示例中，單個(gè)碳纖維層可以具有約0.125英寸的厚度。根據(jù)最終產(chǎn)品的意圖應(yīng)用，碳纖維層可以被切割成特定形狀，包括例如具有希望的內(nèi)直徑和外直徑（或用于附接目的的其他結(jié)構(gòu)特征）的盤形制動(dòng)器。單個(gè)碳纖維層可以具有約900g纖維每平方米至約1000g纖維每平方米的纖維體積密度。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)規(guī)范纖維可以是連續(xù)的或分段的。在碳纖維層被添加至工作表面62后，層可以通過經(jīng)由樹脂打印頭56沉積和/或經(jīng)由打印頭58施加CVD而被密實(shí)。

圖3是示出了根據(jù)本公開的各方面的通過向碳纖維層施加CVD而形成碳碳復(fù)合物的示例性技術(shù)的流程圖。為了易于說明，圖3的示例被描述為通過圖2的打印系統(tǒng)50來執(zhí)行；但是可以預(yù)期適合用于執(zhí)行添加制造以形成碳碳復(fù)合物的其他系統(tǒng)。

如所示出的，控制器64可以控制CVD氣體進(jìn)料器54和沉積打印頭58的操作從而以密實(shí)碳纖維層的方式向單獨(dú)的碳纖維層上和其周圍施加含碳?xì)怏w，單獨(dú)的碳纖維層定位在工作表面62（70）。在整個(gè)過程中，控制器64可以通過操縱臂66控制打印頭58的位置以使得基本上所有的或部分碳纖維層被密實(shí)。在一些示例中，氣體的施加可以發(fā)生在其他熱環(huán)境的爐中例如以促進(jìn)化學(xué)氣相沉積過程。

在層被密實(shí)后，另外的碳纖維層可以形成在之前形成的密實(shí)的層上（72）。新添加的碳纖維層如前所述地例如通過沉積與樹脂結(jié)合的新添加的碳纖維層以將新添加的碳纖維層固定至密實(shí)的層而可以被預(yù)制并附接至密實(shí)的層。

在其他示例中，系統(tǒng)50可以包括碳復(fù)合材料進(jìn)料器，以使得另外的碳纖維層可以經(jīng)由三維打印系統(tǒng)50形成在密實(shí)的層上。通過利用三維打印系統(tǒng)50直接形成另外的碳纖維層（72），z軸纖維（例如從工作表面62垂直地延伸的纖維）可以形成為連接密實(shí)的碳纖維層，這可以提供預(yù)制件增加的強(qiáng)度，由此減小層剝離的機(jī)率。

在一些示例中，每個(gè)新添加的碳纖維層（72）可以基本上是平坦的，例如平坦的或幾乎平坦的。在其他示例中，添加的碳纖維層（72）可以是非平坦的，例如帶波紋或帶波浪的碳纖維層。非平坦的碳纖維層可以提供對(duì)層剝離增加的抵抗力，特別是當(dāng)另外的碳纖維層包括如上所述的預(yù)制薄片時(shí)。

在另外的碳纖維層形成（72）期間或之后，CVD進(jìn)料器54可以被重新接合從而以密實(shí)另外的碳纖維層的方式將含碳?xì)怏w施加至另外的碳纖維層上（74）。此外，控制器64可以在整個(gè)施加過程中控制打印頭58在三維中的位置。根據(jù)密實(shí)的碳碳復(fù)合部件的意圖用途，部件的最終密度可以包括約1.5g/cc至約2.0g/cc的密度。

整個(gè)過程可以被重復(fù)直到生成具有希望的厚度的多層的碳碳復(fù)合部件（76）。例如，要被用作飛機(jī)盤式制動(dòng)器的碳碳復(fù)合部件可以包括具有約0.75英寸至約1.25英寸的總厚度的總共約15個(gè)至約30個(gè)之間的層。在一些示例中，向相對(duì)薄的碳纖維層施加CVD可以減少操作次數(shù)，例如與向完全形成的碳纖維預(yù)制件施加一個(gè)或多個(gè)周期的CVI/CVD相比。

在一些示例中，通過CVD施加含碳?xì)怏w以密實(shí)碳纖維層（70）可以基本上發(fā)生在真空空間中（例如打印系統(tǒng)50被放置于在小于100脫下的容器中）或在惰性氣體環(huán)境下從而控制化學(xué)沉積反應(yīng)。在一些示例中，在施加CVD氣體期間，環(huán)境可以被加熱至升高的溫度，例如約900攝氏度和1200攝氏度之間，以促進(jìn)化學(xué)沉積反應(yīng)。在密實(shí)期間，在將含碳通過打印頭58沉積到碳纖維層上時(shí)，可能發(fā)生脫氫、冷凝和聚合反應(yīng)的復(fù)雜組合以將碳原子沉積在碳纖維層內(nèi)，隨著時(shí)間的推移，這將會(huì)密實(shí)（增加密度）碳纖維層。在另一個(gè)示例中，打印頭58在碳纖維層上沉積CVD氣體的位置可以通過例如氣體沉積打印頭58中的加熱元件和/或指向工作表面62上的施加地點(diǎn)的可選的可移動(dòng)激光器60被加熱至升高的溫度。

在CVD施加期間可以使用任何適合的含碳?xì)怏w，包括例如基于碳的氣體，諸如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯或乙炔，或這些氣體中至少兩種的組合。美國(guó)專利申請(qǐng)公開號(hào)2006/0046059（Arico等人）提供了可以用于本文所述的技術(shù)的示例性CVD/CVI處理的概述，其全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。

如上所提到的，一旦碳纖維層通過施加CVD而被密實(shí)（70），過程可以通過向之前密實(shí)的層添加另外的碳纖維層并且向新添加的碳纖維層施加CVD和/或沉積樹脂被被重復(fù)（76）。此過程可以被重復(fù)直到生成具有希望的三維幾何形狀、厚度和/或密度的碳碳復(fù)合部件，諸如像碳制動(dòng)盤形式的部件。在一些示例中，碳碳復(fù)合部件可以被制造以使得其足夠大以使其能在隨后的時(shí)間被切割成多個(gè)裝置，例如多個(gè)盤式制動(dòng)器。如將在下面進(jìn)一步描述的，在一些示例中，過程可以包括CVD和樹脂密實(shí)的組合，例如使用CVD以密實(shí)一些單獨(dú)的碳纖維層，同時(shí)使用樹脂密實(shí)用于其他的單獨(dú)的碳纖維層。附加地或替代地，CVD和樹脂密實(shí)的組全可以用于密實(shí)相同的碳纖維層。

圖4是示出根據(jù)本公開的各方面的涉及通過沉積樹脂而密實(shí)碳纖維層的形成碳碳復(fù)合物的示例性技術(shù)的另一個(gè)流程圖。類似地，為了易于描述，圖4的示例描述為經(jīng)由圖2的系統(tǒng)50執(zhí)行。

如所示出的，控制器64可以控制樹脂進(jìn)料器52和樹脂打印頭56從而以密實(shí)碳纖維層的方式經(jīng)由打印頭56將樹脂沉積在工作表面62上的碳纖維層上（80）。樹脂可以在環(huán)境條件下是液態(tài)形式或者樹脂進(jìn)料器52可以將樹脂加熱到其熔化點(diǎn)以上以利于將樹脂沉積到工作表面62上。在整個(gè)過程中，控制器64可以控制打印頭56的位置以及樹脂的流量以使得基本上所有的或部分的碳纖維層以希望的方式被密實(shí)。一旦碳纖維層通過沉積的樹脂被密實(shí)，另外的碳纖維層就可以形成在之前的密實(shí)的層上（82）?？刂破?4可以再次控制樹脂進(jìn)料器52和樹脂打印頭56以經(jīng)由打印頭56以密實(shí)新的另外的碳纖維層的方式將樹脂沉積到新形成的碳纖維層上（84）。此過程可以被重復(fù)多次直到生成具有希望的三維厚度的多層碳碳復(fù)合部件（86）。在一些示例中，在逐層的基礎(chǔ)上施加樹脂可以允許樹脂浸透碳纖維層而無需施加真空壓力浸透（VPI）和/或樹脂轉(zhuǎn)移成型（RTM）。

如上所述，在一些示例中，一旦形成多層碳碳復(fù)合部件，則部件可以被加熱以使得樹脂經(jīng)歷碳化（88）。一旦被碳化，在一些示例中，碳碳復(fù)合部件則可以經(jīng)歷一個(gè)或多個(gè)CVI/CVD周期以增加部件的密度（例如超過那些通過單獨(dú)樹脂密實(shí)可達(dá)到的密度）（90）。

任何合適的樹脂材料可以用于制作密實(shí)的碳纖維材料層，包括例如合成纖維、煤焦油、石油的各向同性和中間相瀝青、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂等。在一些示例中，樹脂可以是可碳化的樹脂材料（例如瀝青）以使得在碳化過程期間從樹脂形成碳。

在一些示例中，樹脂可以包括瀝青，瀝青是富碳?xì)浠衔锊牧?，其可以例如從煤、焦油以及石油中提取。在一些示例中，瀝青還可以合成地生產(chǎn)。在另一個(gè)示例中，瀝青可以來自于單個(gè)源（例如煤）或可以是來自不同源的不同瀝青的組合。在一些示例中，瀝青可以是中間相瀝青。在其他示例中，瀝青可以是各向同性瀝青。也可預(yù)期在本公開范圍內(nèi)的中間相和各向同性瀝青的組合。

如上所提到的，在一些示例中，樹脂可以是在環(huán)境條件下以液態(tài)形式可使用的，而在其他示例中，樹脂可以是在環(huán)境條件下固態(tài)的或半固態(tài)的并且可以通過加熱轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)形式。在這樣的情況下，樹脂進(jìn)料器52可以被構(gòu)造用于在輸送樹脂通過打印頭56之前熔化樹脂（如果必要）。

在一些示例中，樹脂的成分可以進(jìn)行選擇以顯示在大約150攝氏度的熔點(diǎn)、在大約180攝氏度至大約270攝氏度之間的聚合/交聯(lián)溫度和/或在大約450攝氏度以上的碳化溫度。

一旦樹脂被沉積在碳纖維層上（80），在一些示例中，樹脂則可以在添加另一個(gè)碳纖維層（82）之前被穩(wěn)固或部分固化。在一些示例中，樹脂可以在環(huán)境條件下被穩(wěn)固或部分固化，而在其他示例中，樹脂可以通過使用例如附接至打印系統(tǒng)50的可選的可移動(dòng)激光器頭60加熱樹脂而被穩(wěn)固或部分固化。激光器頭60可以被構(gòu)造用于將樹脂加熱至升高的溫度以在碳纖維層內(nèi)導(dǎo)致例如樹脂的部分聚合/交聯(lián)。在另一個(gè)示例中，激光器頭60可以被構(gòu)造用于將樹脂加熱到足夠高的溫度以使得樹脂經(jīng)歷碳化。在一些示例中，樹脂可以使用相同的打印系統(tǒng)50沉積和碳化，并且可以在添加另一個(gè)碳纖維層之前進(jìn)行。附加地或替代地，樹脂可以在基本上所有的密實(shí)的碳纖維材料層已形成之后被碳化。

一旦通過沉積樹脂密實(shí)層，則過程可以通過向之前的密實(shí)層添加另外的碳纖維層并且向另外的碳纖維層沉積更多的樹脂和/或施加CVD而被重復(fù)。這個(gè)過程可以被重復(fù)直到生成具有希望的三維幾何形狀、厚度和/或密度的碳碳復(fù)合部件，諸如像碳制動(dòng)盤。在一些示例中，碳碳復(fù)合部件可以被制造以使得其足夠大并可以在隨后的時(shí)間被切割成多個(gè)裝置例如多個(gè)盤式制動(dòng)器。

在一些示例中，在樹脂已被沉積和碳化后，密實(shí)的碳碳復(fù)合部件層可以通過施加CVD/CVI以填充可能由于在樹脂的交聯(lián)和碳化過程氣體散出而導(dǎo)致的部件中的氣孔而進(jìn)一步被密實(shí)。這個(gè)過程可以在逐層的基礎(chǔ)上進(jìn)行或可以在已基本上形成所有的密實(shí)的層之后進(jìn)行。例如，打印系統(tǒng)50可以經(jīng)由打印頭56在碳纖維層上沉積樹脂并且隨后通過用激光器60加熱而碳化樹脂。在已進(jìn)行樹脂碳化之后，可以接合CVD進(jìn)料器54以通過利用例如一種或多種之前所述的技術(shù)，經(jīng)由氣體沉積打印頭58在新形成的密實(shí)的碳纖維層上沉積含碳?xì)怏w，以獲得例如在大約1.75克每立方厘米（g/cc）和大約1.90g/cc之間的希望的層密度。在向密實(shí)的層施加CVD之后，可以添加另外的碳纖維層并且過程可以被重復(fù)。

在另一個(gè)示例中，碳碳復(fù)合部件可以基本上通過上面公開的樹脂沉積技術(shù)形成。隨后，碳碳復(fù)合部件可以被碳化，隨后施加一個(gè)或多個(gè)CVI/CVD周期以獲得希望的密度。

在圖5的流程圖中示出了另一個(gè)示例性技術(shù)，其涉及通過沉積樹脂和施加CVD而密實(shí)碳纖維層。以類似的方式，為了易于描述，圖5的示例描述為經(jīng)由系統(tǒng)50執(zhí)行。

如圖5所示，控制器64可以控制樹脂進(jìn)料器52和樹脂打印頭56以經(jīng)由打印頭56將樹脂沉積在工作表面62上的碳纖維層上以密實(shí)碳纖維層（100）（例如類似于圖4中的步驟80）。密實(shí)的碳纖維層隨后可以例如通過使用經(jīng)由控制器64和操縱臂66操作和控制的可移動(dòng)激光器頭60被加熱以碳化樹脂（102）。在樹脂被碳化（102）之后，控制器64可以控制CVD氣體進(jìn)料器54和打印頭58從而以將密實(shí)的層的密度例如增加至大約1.7克每立方厘米或更多的目標(biāo)密度的方式將含碳?xì)怏w沉積至密實(shí)的碳纖維層上（104）（例如類似于圖3中的步驟70的內(nèi)容）。

另外的碳纖維層可以隨后使用例如上述技術(shù)形成在密實(shí)的層上（106）。控制器64可以控制樹脂進(jìn)料器52和樹脂打印頭56以將樹脂沉積在新形成的碳纖維層上以形成另外的密實(shí)的碳纖維層（108）。新沉積的樹脂可以隨后被碳化（110），跟隨的是隨后的CVD施加（112）。過程步驟（108）至（112）可以被重復(fù)直到生成具有希望的三維厚度的多層碳碳復(fù)合部件（114）。

已描述了用于形成碳碳復(fù)合材料的不同技術(shù)的示例。在不同的示例中，本公開的技術(shù)可以在不同的硬件、軟件、固件或其任意組合中實(shí)施。在一些示例中，本公開的技術(shù)可以在一個(gè)或多個(gè)處理器中實(shí)施，一個(gè)或多個(gè)處理器包括一個(gè)或多個(gè)微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、特定應(yīng)用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)或任意其他等效的集成或分立的邏輯電路以及這些部件的任何組合。在一些示例中，本公開的技術(shù)還可以包含或編碼在包含指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，諸如計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。包含或編碼在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中的指令可以使可編程處理器或其他處理器執(zhí)行本方法，例如當(dāng)指令被執(zhí)行時(shí)。計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM）、電子可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）、快閃存儲(chǔ)器、硬盤、CD-ROM、軟盤、 盒式磁帶、磁性介質(zhì)、光學(xué)介質(zhì)或其他計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

已描述了各種示例。這些和其他示例在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)。