專利名稱：使用熔融瀝青和碳纖維單絲形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體的制作方法
使用熔融瀝青和碳纖維單絲形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體技術(shù)領(lǐng)域
本文公開(kāi)內(nèi)容涉及碳-碳復(fù)合預(yù)制體。
背景技術(shù)：
碳纖維增強(qiáng)碳材料，也稱為碳-碳(C-C)復(fù)合材料，是通常包括在碳材料基質(zhì)中起增強(qiáng)作用的碳纖維的復(fù)合材料。C-C復(fù)合材料可以在很多高溫應(yīng)用中使用。例如，航空航天工業(yè)采用C-C復(fù)合材料制造不同的航空器結(jié)構(gòu)組件。示例性的應(yīng)用包括火箭噴嘴、頭錐以及商用和軍用航空器的摩擦材料，例如制動(dòng)摩擦材料。發(fā)明概要
一般而言，本文公開(kāi)內(nèi)容涉及通過(guò)一種方法形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體，該方法包括使多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中。在一些實(shí)施例中，使多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中導(dǎo)致形成碳纖維單絲與熔融浙青的基本上均勻的混合物，其中所述多個(gè)碳纖維單絲在熔融浙青中基本上為無(wú)規(guī)取向。在一些實(shí)施例中，使多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中是在混合器中進(jìn)行的，該混合器使所述混合物混合而基本上不改變所述多個(gè)碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度(與混合之前相比)。
一方面，本文公開(kāi)內(nèi)容涉及一種方法，其包括將至少一根碳纖維分離 (defibrillating)形成多個(gè)碳纖維單絲,使浙青熔化形成熔融浙青，和使所述多個(gè)碳纖維單絲與熔融浙青混合形成基本上均勻的碳纖維單絲混合物。
另一方面，本文公開(kāi)內(nèi)容涉及一種方法，其包括使長(zhǎng)度介于約6. 35mm至約50. 8mm 的多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中以形成碳纖維單絲在熔融浙青中的基本上均勻的混合物。根據(jù)該公開(kāi)內(nèi)容的這一方面，所述多個(gè)碳纖維單絲的混合基本上不改變所述多個(gè)碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度。
另一方面，本文公開(kāi)內(nèi)容涉及一種體系，其包括模具和布置在模具中的基本上均勻的混合物。根據(jù)公開(kāi)內(nèi)容的這一方面，該基本上均勻的混合物包括熔融浙青和多個(gè)基本上完全分離的碳纖維單絲。
—個(gè)或多個(gè)實(shí)施例的具體細(xì)節(jié)將在所附的附圖和說(shuō)明書(shū)下文中給出。公開(kāi)內(nèi)容的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)可以從說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求中顯而易見(jiàn)地得出。


圖I是按照本文公開(kāi)內(nèi)容各方面的形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體的實(shí)施例方法的流程圖。
圖2是布置在模具中的熔融浙青與多個(gè)碳纖維單絲的混合物的示意圖。發(fā)明詳述
通常，本文公開(kāi)內(nèi)容涉及形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體的方法。
在一些情況下，碳化預(yù)制體通過(guò)將多段碳纖維前體材料針刺在一起，并使該碳纖維前體材料碳化形成碳化預(yù)制體來(lái)形成，所述碳纖維前體材料例如聚丙烯腈(PAN)或人造絲。然后使該碳化預(yù)制體經(jīng)受多個(gè)致密化步驟以形成摩擦材料。例如，該碳化預(yù)制體可采用真空壓力浸潰(VPI)和/或樹(shù)脂傳遞模塑(RTM)用液體浙青致密化，和/或可采用化學(xué)氣相沉積(CVD)/化學(xué)氣相滲透(CVI)用碳質(zhì)材料致密化。這些步驟的每一個(gè)都耗時(shí)且成本高昂，得到的摩擦材料造價(jià)高昂且制備耗時(shí)。
根據(jù)本文公開(kāi)內(nèi)容的各方面，描述了形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體(對(duì)比上述碳化預(yù)制體)的方法。該方法通常包括使多個(gè)碳纖維單絲與熔融浙青混合。在一些實(shí)施例中，混合后，所述多個(gè)碳纖維單絲中基本沒(méi)有(例如，沒(méi)有或低于10%，例如介于約5%至約10% ) 碳纖維單絲以集束(bundle)的形式存在于混合物中(即，碳纖維單絲基本上完全分離)。 在一些實(shí)施方式中，所述多個(gè)碳纖維單絲的混合可得到在熔融浙青中基本上無(wú)規(guī)取向的多個(gè)碳纖維單絲。
一旦所述多個(gè)碳纖維單絲混入熔融浙青中，碳纖維單絲與熔融浙青的混合物可沉積在模具中并冷卻以形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體，該預(yù)制體包含熔融浙青和多個(gè)碳纖維單絲。 在一些實(shí)施例中，該碳-碳復(fù)合預(yù)制體可進(jìn)一步加工，例如進(jìn)一步致密化，以形成最終的碳-碳復(fù)合材料。
使用本文所述技術(shù)形成的碳-碳復(fù)合預(yù)制體可提供優(yōu)于碳化預(yù)制體的優(yōu)點(diǎn)，例如，在形成碳-碳復(fù)合部件的時(shí)候。例如，在單一工序中形成包含混合在浙青中的多個(gè)碳纖維單絲的碳-碳復(fù)合預(yù)制體，可消除針刺碳纖維前體材料和在由碳纖維前體材料形成預(yù)制體后使該碳纖維前體材料碳化的需求。本文所述方法還可減少為達(dá)到給定的最終密度所需的大量后續(xù)致密化步驟，例如，相比通過(guò)如下方式形成預(yù)制體的工藝，在該工藝中通過(guò)將碳纖維前體織物針刺在一起，碳化該碳纖維前體織物形成碳化預(yù)制體，然后使用浙青滲透和/ 或CVD/C VI使該碳化預(yù)制體致密化來(lái)形成預(yù)制體。與碳化預(yù)制體相比，使用本文所述技術(shù)形成的碳-碳復(fù)合預(yù)制體還能更好地承受后續(xù)加工過(guò)程中施加到該碳-碳復(fù)合預(yù)制體上的力(如剪切力)。該力可能，例如，在致密化過(guò)程中施加到該碳-碳復(fù)合預(yù)制體上，并且可能包括相對(duì)高的壓力或相對(duì)低的真空。
附加地或可供選擇地，本文公開(kāi)技術(shù)的實(shí)施例可允許在熔融浙青中混合多個(gè)碳纖維單絲而基本上不影響所述多個(gè)碳纖維單絲的平均尺寸，例如，在混合過(guò)程中基本上不破壞所述多個(gè)碳纖維單絲中的任何碳纖維單絲。因此，本文所述技術(shù)提供了形成耐用 (robust)預(yù)制體的技術(shù),該預(yù)制體可用于制造碳-碳復(fù)合部件。
圖I為框圖，圖示了根據(jù)本文公開(kāi)內(nèi)容各方面的形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體的實(shí)施例方法。該方法包括將至少一根碳纖維分離以形成多個(gè)碳纖維單絲(10)。該碳纖維單絲可由一種或多種不同的前體材料形成，例如，PAN、人造絲或浙青。取決于用來(lái)形成所述碳纖維單絲的前體材料，該碳纖維單絲可能具有不同的密度。在一些實(shí)施例中，碳纖維單絲的密度可能介于約I. 76克每立方厘米(g/cm3)至約I. 9g/cm3。
在一些實(shí)施例中，所述多個(gè)碳纖維單絲以原纖化狀態(tài)，例如由碳纖維制造商，提供。例如，所述多個(gè)碳纖維單絲可以包括多個(gè)碳纖維單絲的紗線或絲束(tow)的形式提供。 在一些實(shí)施例中，碳纖維絲束在每股絲束中可包括1000、2000、3000、4000或更多的單根碳纖維單絲。碳纖維單絲的分離可包括將紗線或絲束分拆成單根碳纖維單絲或，在一些情況下，分拆成與分離前的狀態(tài)相比具有更少碳纖維單絲的集束。分離可有助于提高碳纖維單絲在熔融浙青中的均勻性(例如，均勻分布)。
在一些實(shí)施例中，當(dāng)碳纖維分離成多個(gè)碳纖維單絲的操作完成時(shí)，基本上所有或所有的碳纖維單絲可以單絲形式存在。換而言之，基本沒(méi)有或低于5%的碳纖維單絲可能以編織在一起的多根絲的集束形式存在。
在一些實(shí)施例中，碳纖維可在混合器中，例如相對(duì)低剪切力的連續(xù)混合器中，分離成多個(gè)碳纖維單絲。其他相對(duì)低剪切力的槳式混合機(jī)(例如，間歇式混合機(jī)或連續(xù)混合機(jī)) 或班伯里型混合器也可用于將碳纖維分離成多個(gè)碳纖維單絲。
在一些實(shí)施例中，將碳纖維分離成多個(gè)碳纖維單絲(10)可基本上不會(huì)破壞任何 (例如，沒(méi)有或幾乎沒(méi)有)所述碳纖維單絲。例如，在一些實(shí)施方式中，當(dāng)所述碳纖維單絲存在于絲束中和所述碳纖維分離成單根碳纖維單絲后，所述多個(gè)碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度可基本上相同(例如，相同或幾乎相同，例如大于原長(zhǎng)度的約80%或大于原長(zhǎng)度的約90% )。 例如，在分離之前和之后，所述碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度均可介于約6. 35毫米(_，約1/4英寸)至約50. 8mm (約2英寸)。當(dāng)所述多個(gè)碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度基本上未被所述分離過(guò)程改變時(shí)，這可能有助于基于起始材料，包括所述碳纖維單絲，的性能來(lái)預(yù)測(cè)最終碳-碳復(fù)合摩擦材料的性能。
在其他實(shí)施例中，將碳纖維分離成多個(gè)碳纖維單絲(10)可能破壞一些碳纖維單絲。在一些實(shí)施例中，破壞所述碳纖維單絲可能得到存在長(zhǎng)度范圍的碳纖維單絲。該長(zhǎng)度范圍可能導(dǎo)致在混合物中和/或碳-碳復(fù)合預(yù)制體中較短的碳纖維單絲布置在較長(zhǎng)的碳纖維單絲之間，這可能得到與包含基本上單一長(zhǎng)度的碳纖維單絲的碳-碳復(fù)合預(yù)制體相比具有增強(qiáng)強(qiáng)度的碳-碳復(fù)合預(yù)制體。在一些實(shí)施例中，將碳纖維分離成多個(gè)碳纖維單絲(10) 可能破壞至多約40%的碳纖維單絲，例如介于約30%至約40%的碳纖維單絲。
所述方法還包括使浙青熔化以形成熔融浙青(12)。該浙青可以包括，例如，各向同性浙青或中間相浙青中的至少一種。該浙青可以是石油浙青、煤焦油浙青或合成浙青中的至少一種。在一些實(shí)施例中，該浙青可以具有介于約I. 27克每立方厘米(g/cm3)至約 1.33g/cm3的密度。在一些實(shí)施例中，該浙青可以在混合器中熔化(12)，而熔融浙青和多個(gè)碳纖維單絲在該混合器中混合(14)。在其他實(shí)施例中，該浙青可以在不同的設(shè)備中熔化，然后在熔融狀態(tài)下，使用任何合適的技術(shù)轉(zhuǎn)移至混合器中。在一些實(shí)施例中，使浙青熔化形成熔融浙青(12)可以包括將該浙青加熱至浙青軟化溫度以上的溫度，對(duì)于一些浙青來(lái)說(shuō)該軟化溫度可以介于約110°C至約350°C。
一旦浙青熔化(12)，就使所述多個(gè)碳纖維單絲與該熔融浙青混合(14)。在一些實(shí)施例中，多個(gè)碳纖維單絲和熔融浙青在其內(nèi)混合的混合器可以為相對(duì)低剪切力的連續(xù)混合器。其他相對(duì)低剪切力的槳式混合機(jī)(例如，間歇式混合機(jī)或連續(xù)混合機(jī))或班伯里型混合器也可用于將碳纖維分離成多個(gè)碳纖維單絲。在一些實(shí)施例中，使用相對(duì)低剪切力的混合器使多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中(14)使得能夠使所述單絲與熔融浙青混合而基本上不破壞任何碳纖維單絲。例如，在一些實(shí)施方式中，混入熔融浙青前與混合步驟(14)完成后，所述多個(gè)碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度可以基本上相同(例如，相同或幾乎相同，例如大于與浙青混合前的原始長(zhǎng)度的約80%或者大于原始長(zhǎng)度的約90% )。例如，混合前碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度可能介于約6. 35毫米(mm,約1/4英寸)至約50. 8mm (約2英寸)。繼續(xù)該實(shí)施例，混合后碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度可能介于約6. 35mm(約1/4英寸)至約50. 8mm(約2英寸)。當(dāng)所述多個(gè)碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度基本上未被混合過(guò)程改變時(shí)，這可能有助于根據(jù)起始材料，包括碳纖維單絲，的性能來(lái)預(yù)測(cè)最終的碳-碳復(fù)合摩擦材料的性能。
在其他實(shí)施例中，使所述多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中(14)可能會(huì)破壞一些碳纖維單絲。在一些實(shí)施例中，破壞碳纖維單絲可能得到具有長(zhǎng)度范圍的碳纖維單絲。該長(zhǎng)度范圍可能導(dǎo)致在混合物中和/或碳-碳復(fù)合預(yù)制體中較短的碳纖維單絲分布在較長(zhǎng)的碳纖維單絲之間，這可能得到與包含基本上單一長(zhǎng)度的碳纖維單絲的碳-碳復(fù)合預(yù)制體相比具有增強(qiáng)強(qiáng)度的碳-碳復(fù)合預(yù)制體。在一些實(shí)施例中，使所述多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中(14)可能破壞至多約40%的碳纖維單絲，例如介于約30%至約40%的碳纖維單絲。
在一些實(shí)施例中，可以使所述多個(gè)碳纖維單絲混合到熔融浙青中達(dá)到介于約15 體積百分比(vol. % (碳纖維單絲的體積相比混合物的總體積))至約30vol. %的體積分?jǐn)?shù)。例如，所述多個(gè)碳纖維單絲可構(gòu)成混合物的約20vol. %至約25vol. %，或者混合物的約 25vol. %。
所述多個(gè)碳纖維單絲和熔融浙青的混合(14)可連續(xù)進(jìn)行直至碳纖維單絲與熔融浙青的混合物基本上均勻，例如，直至碳纖維單絲基本上均勻地分散在整個(gè)熔融浙青中。混合物是否基本均勻可由實(shí)驗(yàn)判斷。例如，混合物的均勻性可通過(guò)如下方式判斷采樣一部分混合物或碳-碳復(fù)合預(yù)制體作為樣本，并且分析這部分混合物或碳-碳復(fù)合預(yù)制體中碳纖維單絲是否基本均勻地分散在浙青中。在一些實(shí)施例中，碳纖維單絲與熔融浙青的基本上均勻的混合物具有介于約I. 3g/cm3至約I. 4g/cm3的密度。額外地或者可供選擇地，當(dāng)混合完成后，所述多個(gè)碳纖維單絲在熔融浙青中的取向可以是基本上無(wú)規(guī)的。
在一些實(shí)施例中，圖I所示的方法包括在熔融浙青中混合至少一種添加劑(16)。 該至少一種添加劑可以改變?nèi)廴谡闱唷⑺龆鄠€(gè)碳纖維單絲和/或由熔融浙青與所述多個(gè)碳纖維單絲的混合物形成的碳-碳復(fù)合預(yù)制體的一種或多種性能。在一些實(shí)施例中，該至少一種添加劑包括摩擦改性劑，例如鈦(Ti)或二氧化硅(SiO2)。在一些實(shí)施例中，該至少一種添加劑額外地或者可供選擇地包括氧化劑，例如過(guò)氧化物。氧化劑可以穩(wěn)定合成浙青， 并且可減少或消除為穩(wěn)定由合成浙青形成的碳-碳復(fù)合預(yù)制體所需的后續(xù)氧化步驟。
在一些實(shí)施例中，該至少一種添加劑可以低于約10重量百分比(wt. % )的濃度混入熔融浙青中，例如介于約Iwt. %至約IOwt. % (以包含熔融浙青,至少一種添加劑,和多個(gè)碳纖維單絲的整個(gè)混合物計(jì))。在一些實(shí)施例中，摩擦改性劑可以低于約IOwt. %的濃度混入熔融浙青中，例如介于約Iwt. %至約IOwt. %。在一些實(shí)施例中，氧化劑可以低于約 IOwt. %的濃度混入熔融浙青中，例如介于約Iwt. %至約IOwt. %。
在一些實(shí)施方式中，該至少一種添加劑可與所述多個(gè)碳纖維單絲(14)在同一步驟中混入熔融浙青中(16)，例如，該至少一種添加劑可與所述多個(gè)碳纖維單絲基本上同時(shí)沉積在熔融浙青中。在其他實(shí)施方式中，該至少一種添加劑可采用與所述多個(gè)碳纖維單絲與熔融浙青混合(16)所用設(shè)備相同的混合設(shè)備混入熔融浙青中(16)，但是該至少一種添加劑可在所述多個(gè)碳纖維沉積在熔融浙青中之前和/或之后沉積在熔融浙青中。在其他實(shí)施方式中，該至少一種添加劑可在與所述多個(gè)碳纖維單絲混入熔融浙青(14)所用設(shè)備不同的設(shè)備中混入熔融浙青中(16)。另外，在超過(guò)一種添加劑混入熔融浙青的實(shí)施例中，這些添加劑可在基本上相同的時(shí)間或在不同的時(shí)間混入熔融浙青中，和/或可使用相同或不同設(shè)備混入熔融浙青中。
在一些實(shí)施例中，該至少一種添加劑可混入熔融浙青中(16)直至其在熔融浙青中基本上混合均勻。在一些這樣的實(shí)施例中，使該至少一種添加劑基本上均勻地混合在熔融浙青中可使得由該至少一種添加劑提供的性能賦予整個(gè)混合物。在其他實(shí)施例中，該至少一種添加劑可不均勻地混入熔融浙青中。在一些這樣的實(shí)施例中，該至少一種添加劑在整個(gè)熔融浙青中的不均勻混合可使得由該至少一種添加劑提供的性能未賦予整個(gè)混合物。 在一些情況下，這可能是所期望的。例如，在一些情況下，可能期望抗氧劑添加劑存在于制動(dòng)盤(pán)的摩擦表面上，但是也可能期望抗氧劑添加劑存在于制動(dòng)盤(pán)內(nèi)部。
一旦形成了多個(gè)分離的碳纖維單絲、熔融浙青和任選的至少一種添加劑的基本上均勻的混合物(下文稱為“(該)混合物”)，該混合物可沉積在模具中(18)。圖2為示意圖，其圖示了混合物32沉積在模具26中的一個(gè)實(shí)施例。在圖2的實(shí)施例中，模具26限定在外壁28和內(nèi)壁30之間限定了的環(huán)形。混合物32布置在外壁28和內(nèi)壁30之間的環(huán)形中。盡管圖2的實(shí)施例圖解說(shuō)明了環(huán)形模具26，但在其他實(shí)施例中，模具26可限定其他形狀，例如方形、矩形、橢圓形或其他更復(fù)雜的形狀。
模具26可構(gòu)造為形狀接近碳-碳復(fù)合摩擦材料所需的形狀。通過(guò)這種方式，模具 26可產(chǎn)生具有近終形的碳-碳復(fù)合預(yù)制體。
在一些實(shí)施例中，該混合物可在裝入模具26之前轉(zhuǎn)移到或沉積在蓄存器中。該混合物可保持在該蓄存器中直至蓄積了預(yù)定量的混合物，然后可將該混合物轉(zhuǎn)移到或沉積在模具26中。在一些實(shí)施例中，該混合物可使用如下工藝轉(zhuǎn)移到或沉積在模具26中，該工藝使得當(dāng)混合物位于模具26中時(shí)，所述多個(gè)碳纖維單絲在該混合物中的取向是基本上無(wú)規(guī)的。可獲得所述多個(gè)碳纖維單絲的基本無(wú)規(guī)取向的工藝，可包括不使用壓料柱塞(pressure ram)或噴嘴而直接將混合物從混合器沉積到壓力模具中。
在一些實(shí)施例中，該混合物可使用注塑工藝轉(zhuǎn)移至模具26。在一些實(shí)施方式中， 該混合物的注塑可使得所述多個(gè)碳纖維單絲的至少一些取向?yàn)檠刂旌衔镞M(jìn)入模具26的流動(dòng)方向。在一些實(shí)施例中，為了基于所述多個(gè)碳纖維單絲的取向控制碳-碳復(fù)合預(yù)制體 (和潛在地控制碳-碳復(fù)合摩擦材料)的性能，這可能是有利的。例如，注塑所用的噴嘴能夠取向?yàn)槭沟没旌衔飩魉椭聊＞邇?nèi)的方向有助于使碳纖維單絲取向?yàn)檠卅戚S方向(例如， 沿碳-碳復(fù)合制動(dòng)盤(pán)的厚度方向)。
一旦混合物轉(zhuǎn)移至或沉積在模具26中，該混合物可冷卻形成碳-碳復(fù)合預(yù)制件(20)。冷卻速率可選擇為使得不會(huì)由于預(yù)制體的冷卻導(dǎo)致在碳-碳復(fù)合預(yù)制體中產(chǎn)生顯著的缺陷(例如，對(duì)碳-碳復(fù)合預(yù)制體的結(jié)構(gòu)整體性產(chǎn)生不利影響的缺陷)。在一些實(shí)施例中， 該冷卻過(guò)程可導(dǎo)致在碳-碳復(fù)合預(yù)制體中形成一些裂痕或孔隙。在一些實(shí)施例中這可能是有利的，因?yàn)樗诤罄m(xù)加工中可能有利于碳-碳復(fù)合預(yù)制體的致密化。如上所述，碳-碳復(fù)合預(yù)制體包括所述多個(gè)碳纖維單絲、浙青和添加到混合物中的任何添加劑。在一些實(shí)施例中，通過(guò)冷卻和從模具26中脫除，碳-碳復(fù)合預(yù)制體可以為近終形(例如，接近碳-碳摩擦材料的最終形狀)。
在一些實(shí)施例中碳-碳復(fù)合預(yù)制體能夠進(jìn)一步加工，例如，以形成用于航空航天工業(yè)的碳-碳復(fù)合制動(dòng)盤(pán)。在一些實(shí)施例中，圖I所示方法可任選地包括加熱碳-碳復(fù)合預(yù)制體以使浙青碳化(22)。例如，碳-碳復(fù)合預(yù)制體可加熱至介于約600°C至約1200°C的7溫度以使浙青碳化。碳-碳復(fù)合預(yù)制體可在曲頸甑中于惰性或還原條件下加熱以從預(yù)制體中除去非碳成分(氫、氮、氧等)。在一些實(shí)施例中，碳化可在加熱爐、熱等靜壓機(jī)、高壓釜或單軸熱壓機(jī)中進(jìn)行。在一個(gè)實(shí)施例中，例如，該曲頸甑可用氮?dú)廨p輕吹洗大約I小時(shí)，然后在約10至約20小時(shí)內(nèi)加熱至約900°C (例如，900°C或900°C左右)，然后在約I小時(shí)至約 2小時(shí)內(nèi)加熱至1050°C (例如，1050°C或1050°C左右)。該曲頸甑可在1050°C保持約3至約6小時(shí)，然后使其冷卻過(guò)夜。
—旦碳-碳復(fù)合預(yù)制體中的浙青已經(jīng)碳化(22)，可使該碳-碳復(fù)合預(yù)制體經(jīng)受至少一個(gè)致密化步驟(24)。該至少一個(gè)致密化步驟可使用，例如，真空壓力浸潰(“VPI”)、 樹(shù)脂轉(zhuǎn)移模塑(“RTM”)和/或CVD/CVI中的一個(gè)或多個(gè)來(lái)實(shí)施。為了提高復(fù)合體的導(dǎo)熱性，使該碳-碳復(fù)合體致密化可能是有利的；在一些情況下，隨著碳-碳復(fù)合體的密度增加， 其導(dǎo)熱更好，并且其作為散熱器表現(xiàn)更好。在一些實(shí)施例中，碳-碳復(fù)合預(yù)制體可經(jīng)受足夠數(shù)量的致密化步驟以達(dá)到介于約I. 5g/m3至約I. 85g/cm3的最終密度。
在VPI的一些實(shí)施例中，碳-碳復(fù)合預(yù)制體在惰性條件下加熱至遠(yuǎn)高于浸潰浙青的熔點(diǎn)。然后，通過(guò)排空預(yù)制體除去該碳-碳復(fù)合預(yù)制體孔隙中的氣體。最終，使熔融浙青滲入預(yù)制體的孔隙，此時(shí)整體壓力返回至一個(gè)大氣壓或更高。在VPI工藝中，大量的樹(shù)脂或浙青在一個(gè)容器中融化而多孔碳-碳復(fù)合預(yù)制體容納在處于真空的第二容器中。使用真空和壓力聯(lián)合，將熔融樹(shù)脂或浙青從容器一轉(zhuǎn)移到容納在第二容器中的多孔預(yù)制體內(nèi)。該VPI 工藝通常采用具有低到中等粘度的樹(shù)脂和浙青。這種浙青可提供比中間相浙青更低的碳收率。
在RTM的一些實(shí)施例中，碳-碳復(fù)合預(yù)制體放置在與所需部件的幾何形狀相匹配的模具中。通常，相對(duì)低粘度的熱固性樹(shù)脂在低溫(50°C至150°C )下使用壓力或在真空下誘導(dǎo)注入容納在模具中的多孔碳-碳復(fù)合預(yù)制體中。在從模具中脫除之前使該樹(shù)脂在模具中固化。US6，537，470B1 (Wood等)描述了一種更靈活的RTM工藝，其能利用高粘度的樹(shù)脂或浙青。US6，537，470B1的整個(gè)公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文中。
在CVD/C VI的一些實(shí)施例中，碳-碳復(fù)合預(yù)制體在曲頸甑中于惰性氣體保護(hù)下加熱，例如在100托以下的壓力下。當(dāng)碳-碳復(fù)合預(yù)制體達(dá)到介于約900°C至約1200°C的溫度時(shí)，以含碳?xì)怏w替換惰性氣體，該含碳?xì)怏w例如天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯、或乙炔、或者這些氣體中至少兩種的組合。當(dāng)含碳?xì)怏w圍繞碳-碳復(fù)合預(yù)制體流動(dòng)并流過(guò)該預(yù)制體時(shí)，發(fā)生一系列復(fù)雜的脫氫、縮合和聚合反應(yīng)發(fā)生，從而使碳原子沉積在碳-碳復(fù)合預(yù)制體的內(nèi)部和表面。隨時(shí)間推移，隨著越來(lái)越多的碳原子沉積到碳-碳復(fù)合預(yù)制體內(nèi)的孔隙表面上，該碳-碳復(fù)合預(yù)制體變得更致密。這個(gè)過(guò)程有時(shí)稱為致密化，因?yàn)樘?碳復(fù)合預(yù)制體內(nèi)的開(kāi)放空間最終被碳基質(zhì)填充直至形成通常固體的碳部件。取決于壓力、溫度和氣體成分，沉積碳的晶體結(jié)構(gòu)和晶序能夠得到控制，產(chǎn)生從各向同性碳到高度各向異性的有序碳的任何碳材料。公開(kāi)號(hào)2006/0046059的美國(guó)專利申請(qǐng)(Arico等)，其整個(gè)公開(kāi)內(nèi)容以引用的方式并入本文，提供了 CVD/CVI工藝的綜述。
已經(jīng)描述了各種實(shí)施例。這些和其他實(shí)施例落在了下列權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.方法，其包括 將至少一根碳纖維分離形成多個(gè)碳纖維單絲； 使浙青熔化形成熔融浙青；和 使所述多個(gè)碳纖維單絲與該熔融浙青混合以形成碳纖維單絲與熔融浙青的基本上均勻的混合物。
2.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其進(jìn)一步包括 使該碳纖維單絲與熔融浙青的基本上均勻的混合物沉積在模具中；和 使該碳纖維單絲與熔融浙青的基本上均勻的混合物冷卻以形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體。
3.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中使所述多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中包括使平均密度介于約I. 76g/cm3至約I. 9g/cm3的所述多個(gè)碳纖維單絲與平均密度介于約I. 27g/cm3至約I. 33g/cm3的熔融浙青混合，以形成平均密度介于約I. 3g/cm3至約I. 4g/cm3的基本上均勻的混合物。
4.根據(jù)權(quán)利要求I的方法，其中使所述多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中包括使所述多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中達(dá)到碳纖維單絲的體積分?jǐn)?shù)介于約15體積百分比(vol. % )至約 30νο1. % ο
5.方法，其包括使長(zhǎng)度介于約6.35毫米至約50. 8毫米的多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中以形成碳纖維單絲在熔融浙青中的基本上均勻的混合物，其中所述多個(gè)碳纖維單絲的混合基本上不改變所述多個(gè)碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其進(jìn)一步包括 使所述基本上均勻的混合物沉積在模具中；和 使該基本上均勻的混合物冷卻以使熔融浙青固化并形成碳-碳復(fù)合預(yù)制體。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中使長(zhǎng)度介于約6.35毫米至約50. 8毫米的多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中包括使平均密度介于約I. 76g/cm3至約I. 9g/cm3的多個(gè)碳纖維單絲與平均密度介于約I. 27至約I. 33gg/cm3的熔融浙青混合以形成平均密度介于約I. 3g/cm3至約I. 4g/cm3的基本上均勻的混合物。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的方法，其中使長(zhǎng)度介于約6.35毫米至約50. 8毫米的多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融浙青中包括使所述多個(gè)碳纖維單絲與熔融浙青混合達(dá)到碳纖維單絲的體積分?jǐn)?shù)介于約15vol. %至約30vol. %。
9.系統(tǒng)，其包括 豐旲具;和 布置在模具中的基本上均勻的混合物，其中該基本上均勻的混合物包含熔融浙青和基本上完全分離的多個(gè)碳纖維單絲。
10.根據(jù)權(quán)利要求18的系統(tǒng)，其中該基本上均勻的混合物基本上不含原纖化的碳纖維。
全文摘要
在一個(gè)實(shí)施例中，一種方法包括將至少一根碳纖維分離形成多個(gè)碳纖維單絲，使瀝青熔化形成熔融瀝青，以及使所述多個(gè)碳纖維單絲與熔融瀝青混合以形成基本上均勻的碳纖維單絲混合物。在另一實(shí)施例中，一種方法包括使長(zhǎng)度介于約6.35毫米至約50.8毫米的多個(gè)碳纖維單絲混合在熔融瀝青中以形成碳纖維單絲在熔融瀝青中的基本上均勻的混合物，其中所述多個(gè)碳纖維單絲的混合基本上不改變所述多個(gè)碳纖維單絲的平均長(zhǎng)度。
文檔編號(hào)C04B35/83GK102976782SQ201210392829
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者M·L·拉富里斯特, S·弗里斯卡, D·M·賴特 申請(qǐng)人:霍尼韋爾國(guó)際公司