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CN101445383A - 碳纤维增强的复合材料零件的制造方法 - Google Patents

碳纤维增强的复合材料零件的制造方法 Download PDF

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CN101445383A CNA2008101784932A CN200810178493A CN101445383A CN 101445383 A CN101445383 A CN 101445383A CN A2008101784932 A CNA2008101784932 A CN A2008101784932A CN 200810178493 A CN200810178493 A CN 200810178493A CN 101445383 A CN101445383 A CN 101445383A
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Abstract

本发明涉及碳纤维增强的复合材料零件的制造方法。一种由碳纤维制得的连贯的纤维预成型件具有在其至少第一表面上形成的孔，并利用化学气相渗透类的方法通过在该预成型件中沉积构成基体的材料将该预成型件致密化。通过使多个非旋转的细长工具同时穿入而形成所述孔，所述工具基本上相互平行，并在其表面具有的粗糙度或凸起部分适于使该工具碰到的纤维断裂和/或转移，通过移动带有所述工具的支座使得所述工具同时穿入，选择所述工具的横截面，使得可能在碳纤维预成型件上得到平均尺寸为50μm至500μm的孔。

Description

碳纤维增强的复合材料零件的制造方法
技术领域
本发明涉及制造由基体致密化的至少部分通过化学气相渗透(CVI)类方法制造的碳纤维增强的复合材料零件。
背景技术
本发明的特定而非排他的应用是由碳/碳(C/C)复合材料制造刹车盘，特别是用于包括具有在公共轴线上交替的定盘和转盘的组件的飞机刹车。然而，本发明适用于制造其它C/C复合材料零件以及由其它碳纤维增强的复合材料制造零件，特别是由陶瓷基体复合(CMC)材料或由具有碳基体和陶瓷基体的复合材料制造零件。
众所周知通过使用CVI类方法致密化多孔基材(如纤维基材)。
在常规CVI方法中，将用于致密化的基材置于烘箱中。向烘箱中通入反应气体以在预定条件(特别是温度和压力)下通过分解一种或多种气体组分或者通过多种组分之间反应，从而在基材的孔中沉积基体构成材料。
CVI类方法的主要困难是使基材中的致密化梯度最小化，从而得到性能在整个体积内尽可能均匀的零件。
在沉积基体时，该基体趋于优选在基材的表面部分聚集，所述的基材的表面部分是反应气体最先遇到的部分。这导致扩散到基材芯的气体耗尽，也导致在基材表面部分的孔隙过早堵塞，从而逐渐降低了气体向芯扩散的能力。因此，在基材的表面部分和基材的芯之间形成了致密化梯度。
因此，特别是当制造厚的零件时，在实践中，一旦达到了一定程度的致密化，就必需中断所述方法，取出部分致密化的基材，然后在称为“刮皮”的操作中切削所述基材的表面以再打开该基材表面的孔隙。然后用具有更容易的进入基材芯的扩散通道的反应气体继续进行致密化。比如，当制造刹车盘时，通常进行至少两个CVI致密化周期(周期I1和周期I2)以及介于其间的刮皮操作。在实践中，仍然在最终得到的零件中观察到致密化梯度。
为了避免产生致密化梯度以及为了避免可能的刮皮操作，的确已知实施使用温度梯度(即通过以非均匀方式加热基材)的CVI致密化方法。在文献US 5 846 611和EP 0 946 461中描述了通过在基座和一个或多个用于致密化的环状基材之间直接偶合的非均匀加热。通过将这种区域升温至高于基材其他部分的温度，增强了在气体较不易进入的基材的那些区域中的基体沉积。然而，这种技术局限于某些形状的基材以及局限于装在某种排列的烘箱中的基材。
文献US 5 405 560提出了通过提供贯穿预成型件相对表面的孔形式的通道，从而促进反应气体进入基材的芯，所述基材由环状纤维预成型件构成，用于C/C复合材料刹车盘。通过插入针提供这些孔，所述针推开预成型件的纤维，而不损坏该预成型件。在CVI致密化期间，所述孔为气体提供了短程路径，以到达预成型件的中心部位。并行文献FR 2 616 779的确也提到了利用破坏部分纤维的加压流体制造孔的可能性，但建议避免损坏纤维。
与此相反，文献WO 2006/129040提出，通过使纤维断裂而除去材料(比如使用高压水射流的加工或通过机械加工)从而在纤维基材上制造孔，其目的是保持纤维的基本上未改变的排列，特别是在孔壁。发现利用CVI类方法对这种基材的致密化为几乎均匀的，其致密化梯度降低的程度优于用文献US 5 405 560的方法。
本申请人进行的测试表明，为了降低致密化梯度而在纤维基材上穿孔的效果与基材的开放面积有关，即当考虑孔打开的基材表面时，孔占据的面积相比于所述表面的总面积的百分率。更准确地，增加开放面积导致致密化梯度降低。
对于给定的孔密度，即在孔打开的基材表面上每单位面积所给定的孔数，通过增加孔的横截面能得到开放面积的增加。
超过一定的阈值，增加孔的横截面显示缺点。所得复合材料变得较不均匀。此外，至少在某些应用中，在基材致密化期间不闭合孔的存在会改变所得零件的性能。因此，本申请人进行的对刹车盘的测试显示，在某个阈值之上，在复合材料中的未堵塞孔的存在导致复合材料显著更大的磨耗。这可以通过刹车盘彼此摩擦时对孔边缘的作用得到解释。有可能设想在致密化之后堵塞所述孔。这在上述文献US5405560中提到，该文献建议形成具有0.5毫米(mm)至5mm的直径的孔。堵塞所述孔需要另外的操作，这增加了制造成本，而且不会避免材料变得基本上不均匀。
通过增加孔的密度(即孔数)来增加开放面积提出了制造大量具有较小横截面的孔的问题。本申请人确认，为了得到对于梯度降低，从而对于降低致密化持续时间有意义的结果，当确保磨耗与由没有孔的基材制造的飞机刹车盘的磨耗类似时，必需在直径20英寸盘表面上形成超过1000个孔。如果希望获得致密化期间的节省与增加的孔制备的制造成本之间有利的平衡，很难设想使用文献US 5 405 560和WO2006/129040中描述的技术。
发明内容
本发明的一个目的是提供由基体致密化的具有碳纤维增强件的复合材料零件的制造方法，所述复合材料零件至少部分利用CVI类方法，所述方法使降低致密化梯度而不显著增加制造成本成为可能。
此目的通过包含如下步骤的方法实现：
·制造碳纤维的连贯纤维预成型件，该预成型件具有在其至少第一表面上形成的孔；以及
·通过化学气相渗透类方法致密化该预成型件，以在其中沉积构成基体的材料；
其中根据本发明的方法：
·通过同时穿入多个非旋转的细长工具形成所述孔，所述工具基本上相互平行，在该工具表面上具有的粗糙度或凸起部分适于使该工具碰到的大部分纤维断裂，并将断裂的纤维转移至所述预成型件内，通过移动带有所述工具的支座实现工具的同时穿入；以及
·选择的工具具有的横截面使得可能在碳纤维预成型件中得到具有横截面的平均尺寸为50微米(μm)至500μm的孔。
所述方法是显著的，由于该方法有可能通过插入基本上彼此平行延伸的细长工具从而同时制备大量孔。有利地，这种工具为带刺针。也能使用如线锯条等的其它工具。
本发明的另一个显著特征是，尽管相对于钻孔之前的纤维排列，纤维的排列沿孔壁发生了改变，已进行测试显示在致密化方面得到了良好的结果。
根据本发明的一个特征，提供给由碳纤维制造的预成型件平均密度为0.25个孔每平方厘米(孔/cm2)至16孔/cm2的孔，所述平均密度在所述第一表面中测定。
根据所述方法的另一个特征，提供给由碳纤维制造的纤维预成型件占所述第一表面总面积的0.025％至2％的开放面积，所述开放面积在所述第一表面中测定。
有利地，使得所述工具穿入的距离相当于预成型件尺寸的至少一半，所述距离由平行于在所述预成型件的第一表面及其相对表面之间的孔测定。
当通过由碳前体纤维制备连贯的纤维预成型件，并碳化纤维基材以将碳前体转化为碳来制造由碳纤维制成的纤维预成型件时，可在碳化纤维基材之后或在碳化纤维基材之前形成孔。如果预先制得孔以得到所需的孔横截面尺寸，必需考虑碳化期间发生的收缩。
当通过由碳纤维直接制备连贯的纤维基材，可能接着通过热处理使纤维基材另外碳化来制造由碳纤维制成的纤维预成型件时，可在另外的热处理之前或以后在纤维基材中制得孔。当预先制得孔以得到所需的孔横截面时，由于另外的碳化热处理不会引起显著的收缩，无需考虑收缩。
在所述方法的一个特定实施方案中，可在由碳前体纤维或碳纤维制造纤维基材时形成孔。当制造纤维基材包括将重叠的纤维布层针刺在一起的步骤时，能与所述针刺同时制备孔，例如通过在共同的支座上安装用于形成孔的工具和用于进行针刺的针。
有利地，当使用所述方法制备碳/碳复合材料的刹车盘时，通过化学气相渗透法实现纤维预成型件的致密化，而不用在致密化结束之前进行任何刮皮。因此，该方法是显著的，能够得到用于刹车盘的复合材料的所需密度，而不用进行多个由一个或几个刮皮步骤分隔的致密化周期，所述刮皮步骤用以重新开放预成型件表面的孔隙。
本发明还提供由如上所述方法得到的碳纤维增强的复合材料的刹车盘。
附图说明
参照附图，通过阅读如下以非限定性表示的方式进行的描述，能够更好地理解本发明，其中
·图1表示在本发明方法的第一实施方案中制造复合材料零件的连续步骤；
·图2表示能够在纤维基材中同时形成多个孔的装置；
·图3是在图2的装置中使用的针的细节视图；
·图4是图3的III-III平面的横截面视图；
·图5是可在图3的装置中使用的不同工具的细节视图；
·图6是图5的针的横截面视图；
·图7是可在图2的装置中使用的其他不同工具的细节视图；
·图8是用于刹车盘的环状纤维预成型件的概略图，其中孔已形成；
·图9至12是表示各种形成孔的方法的局部截面视图，所述孔打开构成用于刹车盘的环状纤维预成型件的纤维基材的至少一个主表面；
·图13是表示使用如图8中所示种类的预成型件，在CVI类致密化和最终加工之后得到的刹车盘的图；
·图14是表示利用如图3和4所示的工具，在用于刹车盘的环状纤维预成型件上形成的孔的开口的显微照相图；
·图15是表示与图14表示的孔相类似的孔的纵向截面的显微照相图；
·图16表示在根据本发明方法的第二实施方案中制造复合材料零件的连续步骤。
·图17表示在第二实施方案的具体实施方案中能够在碳前体纤维基材上制备孔的装置。
具体实施方式
图1的方法的第一步10包括由碳纤维制造连贯的三维(3D)纤维基材。
若能够操作3D纤维基材而不损失其内聚力，即使其显示一定量的挠性，该3D纤维基材在本文也称为“连贯的”。
公知用于制造连贯的3D纤维基材的各种技术。
可能起始于单向(1D)纤维单元(如纱或短麻屑)，使用所述纤维单元通过编织、针织或三维编织直接形成3D基材。
也可能起始于二维(2D)的纤维织构，如织物、针织物、平编带、薄毡、由互相平行的纱或短麻屑制得的单向(UD)织片，或者更确切地由UD织片在不同方向重叠制得并通过轻针刺或通过缝合而结合在一起的多向(nD)织片。由这种2D纤维织构制得的布层平坦重叠或悬垂于成形机上，并通过针刺、通过缝合或通过穿过布层植入纱以得到3D纤维基材。举例来说，文献US 5 792 715描述了由复合材料制备3D纤维基材以形成用于刹车盘的厚环状纤维预成型件的方法。在此方法中，将从nD织片切下的布层重叠，并在所述布层相互重叠时通过针刺逐渐将其连结在一起。
纤维基材可由碳纤维或由碳前体纤维制造，所述碳前体纤维可能更适于经受用于制造3D纤维基材的各种纺织操作。在这种情况下，在形成纤维基材之后通过应用热处理将所述前体转化为碳。
与将要制得的零件形状接近的碳纤维预成型件的形状(步骤12)：
·能直接以由碳纤维构成的纤维基材的形式得到；
·能通过从由碳纤维构成的纤维基材上切割得到；
·能通过碳化由碳前体纤维制得的纤维基材直接得到；
·能通过碳化由碳前体纤维制得的纤维基材并通过从碳化的纤维基材上切割得到；或者
·通过从由碳前体纤维制得的纤维基材上切下预成型件，并通过碳化该预成型件得到。
在前两种可能性和已知方式中，在由碳纤维制得纤维基材之后，在高于碳化期间达到的温度下进行高温热处理(HTHT)，从而改性纤维的性能，并除去包含其中的杂质(若有)。
对于由复合材料形成刹车盘的环状纤维预成型件所用的3D纤维基材，通常由碳前体纤维，例如预氧化的聚丙烯腈(PAN)制造3D纤维基材。然后通过从由碳前体纤维制得的3D纤维基材上切下具有盘形状的部分并通过碳化，得到碳纤维刹车盘预成型件，切下部分的尺寸确定为与将要得到的预成型件的尺寸以及碳化期间发生的收缩相关。
图1方法的下一步(14)包括在碳纤维预成型件上制造孔，以在利用CVI类方法的随后的致密化期间促进反应气体进入预成型件的芯。
在一个具体实施方案中，当通过从碳纤维制得的纤维基材上切割得到预成型件时，可在切下预成型件之前在基材上形成孔。
此外，当直接从碳纤维得到纤维基材时，可以在任何另外的碳化之前或之后形成孔。
通过使多个基本上相互平行延伸的细长工具同时穿入预成型件的至少一个表面而形成孔，所述工具表面上具有的粗糙度或凸起部分适于在将该工具穿入预成型件期间，使该工具碰到的大部分纤维断裂，并将断裂的纤维转移至预成型件内。这种工具可有利地由带刺针构成。
在截面中，优选选择形成的孔的尺寸足够大以为反应气体提供到达预成型件芯的通道，而不会在致密化期间由基体沉积过早封闭，当孔穿过预成型件的厚度越大时，则孔可具有越大的横截面积。
然而，孔的尺寸必须保持为有限的，以确保在致密化之后，不会留下可改变所制造零件的性能的具有过大尺寸的剩余孔，例如当制造刹车盘时，这会导致高度的过早磨耗。对于刹车盘，能容许具有小截面的剩余孔的存在，只要这些剩余孔迅速被摩擦产生的粒子堵塞。
因此，孔的平均横截面尺寸优选在50μm至500μm的范围。孔的形状无需为规则的圆形，只要给定所用工具的形状、纤维的方向以及在工具穿过之后某些纤维返回至其原始位置的方式，但无需以规则的方式。因此所考虑的尺寸不是孔的直径，而是平均横截面尺寸，所述平均横截面尺寸通过测量在表面形成的孔所占据的面积，然后计算表示相同面积的圆的直径确定。
也重要的是，孔间距离要足够小以保证反应气体容易进入预成型件内的所有区域，但不过多增加孔数，从而避免改变制得的零件的机械性能，以及当零件为刹车盘时避免改变摩擦性能。
因此，平均孔密度优选为0.25孔/cm2至16孔/cm2，其中密度在形成孔的预成型件的整个表面或每个表面测定。
由于上述原因，也优选希望以如下的方式形成孔，即得到0.025％至2％的开放面积，其中开放面积为孔在形成孔的预成型件的整个表面或每个表面上所占据的总面积的分数。
图2表示能够在用于刹车盘的预成型件20上形成孔的装置，所述预成型件通过从由碳前体纤维制得的3D纤维基材上切下并通过碳化得到。
所述预成型件可为环状预成型件，比如通过从纤维基材上切下得到。也可能在形状为完整盘形的预成型件上形成孔，随后通过切割将所述预成型件的中间部分除去，从而得到用于致密化的预成型件，其环状的形状接近将要得到的刹车盘的形状。
多根针30以一列或多列垂直地伸出，所述的针固定在共同的支座32上，或者固定在圆形的针板上。针板32与元件34连接，该元件34的作用是使针在一个方向和相反方向垂直升降平移，例如移动压机零件。
通过一块可水平移动的基板22水平支撑预成型件20，基层24插入上述两者之间，针30的末端能穿入所述基层而不会被损坏。举例来说，基层24为相对刚性的钻孔结构，如泡沫炭或者由碳纤维制得的牺牲盘预成型件。也可能使用具有孔的基板22，在该基板22上的孔间距、针的间距以及在基板22和板32之间的相对水平移动方向(当该运动发生时)为在垂直移动时，每根针都与基板22上的孔对准。
在针30组合的外面，从针板底面垂直伸出从而被带动的杆38的头形末端38a支撑排障板36。杆38能在排障板36上形成的孔中滑动。在针板32和排障板36之间的杆38的周围装有螺旋弹簧38a。排障板36具有用于通过针30的钻孔36a。当降下针板32时，排障板36顶住基板22带有的支座26，针通过钻孔36a穿入预成型件20中，同时弹簧38a被压缩。通过压机的冲程确定针的向下移动。
当针板随后升起时，通过弹簧38a将排障板36保持于压在预成型件20上，保持的时间长度为使得针从预成型件抽出所需的时间。
一个孔形成的周期可包含一个或几个针穿透和取出周期，能够同时形成几百个孔。针30以基本上规则的间隔安装在针板32上。对于给定面积的预成型件，能使用单个的针穿透和取出周期制造孔，然后使针30在针板32上的间距与在预成型件上将要形成的孔的间距相匹配。也可能使用多个周期在给定面积的预成型件上制造孔，通过在连续的两个周期之间移动基板22水平移动预成型件20。针板32上针30的间距与在两个连续周期之间预成型件相对于针板的位移幅度以及将要实现的孔间距相关。
图3和4是表示合适的带刺针的例子的细节视图。针30具有形状基本上为三角形的工作截面30a，该工作截面具有圆形的刃，毛刺31沿着刃形成。毛刺由钩状的凹槽形成，并沿着针基本上规则地分布，在三个刃上连续形成。这种针本身已知为用于针刺纤维织构的“制毡”针。当将针穿入预成型件时，毛刺30a遇到的大多数纤维被切断，而这些被切断的纤维中的一些被转移。
图5和6是另一类带刺针的细节视图，针32具有水滴形的工作截面32a，刃32b从所述截面突出，其中毛刺33沿所述刃形成。
能使用除了带刺针之外的工具，例如在图7中所示具有齿37的锯条36。
形成的孔的平均横截面尺寸随如下因素而变化：工具的工作截面、工具上形成的粗糙度或凸起部分的特征、对每个孔进行的穿透数、工具的冲击速度以及待穿刺的预成型件的特征等。使用术语工具的“工作截面”意指具有毛刺、齿或其它粗糙度或凸起部分的工具的部分的截面。在所有的情况下，为了得到所需截面的孔，选择具有基本上大于所需截面的工作截面的工具，以考虑到在穿透期间被工具推开的纤维在取出工具之后趋于返回至这些纤维的初始位置。因此，例如，当通过使用工具(如图3和4所示的制毡针)在由碳纤维制得的针刺的预成型件上形成孔时，选择具有比将要制造的孔的截面大几倍的工作截面的工具。对于其它工具和其它类型的预成型件，专业人员能通过实验很容易地确定对应于所需孔截面的工作截面。
形成的孔的深度随着工具的毛刺或其它粗糙度穿透预成型件的距离而变化，也随着待穿刺的预成型件的特征而变化。应该观察到，如图3和4所示类型的针，由于在针尖和最接近针尖的毛刺之间延伸的针的部分不会持久地移动纤维，形成孔的有效工作长度并不延伸到针尖。
图8表示用于刹车盘的环状纤维预成型件40，孔40a在该纤维预成型件上形成。在此实施例中，孔以正方形网格规则地分布。能选择其他的孔分布，例如六角形网格、沿着同心圆等。
能预先为将要穿过在预成型件40的两个相对面上的孔开口的孔做好准备，或者几乎穿过孔，即孔终止于离预成型件的表面的较短距离处，所述表面在孔形成所穿过的预成型件的表面的对面，如图9所示。这种孔通过将针的工作部分穿过预成型件的整个厚度或几乎整个厚度得到。
在一个具体实施方案中，在预成型件40上形成的孔为从预成型件的两个相对面所形成的盲孔，如图10所示，那么孔延伸的距离不小于在所述两个面之间所测定的预成型件厚度的一半。这能用如图2所示类型的装置通过如下方式得到：将工具穿透预成型件的一个面，而不直接穿透预成型件，从而形成第一系列的孔，然后在将预成型件翻转之后以类似的方式形成第二系列的孔。
在另一个实施方案中，预成型件中形成的孔可向斜向延伸，以与插入工具的预成型件表面的法线形成非零的角度。这能用如图2所示类型的装置，通过将针斜向装上针板并通过使针板平行于针移动而得到。如图11和12所示，这种斜向孔可为准穿透孔或者具有有限的深度。
在碳纤维预成型件上形成孔之后，通过CVI类方法(图1中的步骤16)致密化该预成型件。众所周知用于形成碳或陶瓷基体的CVI类致密化方法。
图13表示在致密化图9的预成型件之后和最终加工之后得到的刹车盘50。在致密化期间，孔50a能保持可见的，无需完全被堵塞，条件是所述孔不会改变盘的摩擦和耐磨耗性能，特别是所述孔要足够小，以很快被磨耗粒子堵塞。
至少在某些情况下，本发明的方法可能得到所需的致密度而无须进行任何中间的零件刮皮。然而，取决于制造的零件厚度和所需的最终密度，能进行这种刮皮。
应观察到根据本发明，不排除通过CVI类方法进行部分致密化的步骤，接着通过除了CVI类方法以外的方法进行致密化的最终步骤。举例来说，这种最终步骤可包括在形成碳基体之后，通过用熔融硅浸渍进行硅化的步骤。
实施例1
如下制造用于飞机刹车盘的碳纤维预成型件：
·通过将3个UD织片形成相互±60°的角度而悬垂和轻针刺，形成过氧化PAN纤维的nD织片；
·使用文献US 5 792 715的方法，通过将得自所得nD织片的布层重叠和针刺在一起，形成3D纤维预成型件；
·从所述3D纤维基材切下盘形部分；以及
·碳化切下的部分，以得到由碳纤维制得的盘形纤维预成型件。
使用包含500小时(h)的第一次致密化周期、刮皮，和75h的第二次致密化的方法，通过CVI以常规的方式致密化所得预成型件以得到碳基体。
使用如图2所示的装置穿刺在碳化步骤之后以这种方式得到的其他预成型件形成孔，所述装置装有如图3所示的具有三角形工作截面的带刺针，该带刺针由供应商Groz Beckert参考15×18×20×3.5 R33 G3012供应，每个刃有3个毛刺。针以20毫米(mm)的间距装在针板上。通过使针穿入基层1mm，调节穿透距离以穿过预成型件的整个厚度。移动带有预成型件的基板，以每个面上每5mm一个孔的密度在每个面上制造孔，得到4孔/cm2的密度。
图14表示所得孔的开口。该开口基本上为椭圆形。当使用的针具有高度约等于1mm的正三角形的工作截面时，发现形成的孔显示约350μm的平均截面尺寸。图15为所得孔的纵向截面图。可以看出，所述孔延伸至接近与插入针的表面相对的预成型件的表面的附近，但没有直接穿过预成型件，针的端部对于形成持久的孔是无效的。
使用与用于未穿刺的预成型件相同的CVI方法，用碳基体将以那种方式穿刺的预成型件致密化，但进行单个500h的致密化周期。
随后将致密化的预成型件加工至用于航空刹车盘的环状中心定盘(厚度24.5mm，内径248.85mm，外径418.75mm)的最终尺寸。
下表显示得到的结果。
 
未穿刺的预成型件 穿刺的预成型件
500h之后的相对密度 1.69 1.78
刮皮 有 无
75h的另外的致密化 有 无
加工之后的最终相对密度 1.75 1.77
明显地，用穿刺的预成型件在无刮皮步骤并仅使用第一次致密化周期下得到的最终密度略大于用未穿刺的预成型件得到的最终密度。因此，在致密化期间实现的节省是可观的，远高于穿刺预成型件的额外成本，本发明的方法可能同时迅速而简便地形成几百个孔。
实施例2
如实施例1制造用于飞机刹车盘的碳纤维预成型件，一些预成型件用于制造转盘，其他预成型件用于制造末端定盘，还有其他预成型件用于制造中心定盘(其中刹车包含具有交替的定盘和转盘的堆积)。
对用于每一类盘的预成型件进行如下处理：
A)利用如在实施例1中使用的针，以每个表面4孔/cm2的密度形成孔，所述孔的穿透使得针的末端伸出6.63mm的长度，以确保每一根针的第一个毛刺直接穿过预成型件并从相对的表面穿出；
B)如A)一样形成孔，但每个表面的密度为2孔/cm2；
C)使用如文献WO 2006/129040描述的加压水射流仅在一个表面形成孔，喷嘴的出口直径0.12mm，孔密度为1孔/cm2；
D)如C)一样形成孔，但喷嘴的出口直径为0.20mm；
E)使用功率3.5kW，激光脉冲持续时间0.1秒(s)的CO2激光器，仅在一个表面利用激光形成孔，孔密度为1孔/cm2；
F)不形成孔。
使用相同的CVI方法用碳基体致密化穿刺的和未穿刺的预成型件，所述CVI方法包含总持续时间为600h的多个致密化周期，且无中间的刮皮。在致密化之后，将转盘、中心定盘和末端定盘加工至最终尺寸，分别得到281.25mm、248.85mm和248.85mm的内径，450.85mm、418.75mm和418.75mm的外径，以及23mm、24.5mm和20mm的厚度。
表I给出了对每批相同类型的盘所测得的平均相对密度值以及(若有)每批的盘数(在平均相对密度值之后的括号中)，所述盘具有进行相同孔形成处理的预成型件。
表I
Figure A200810178493D00161
当使用针A)和B)在预成型件中形成孔时，测得的密度显示：
·相比于用未穿刺的预成型件F)得到的结果的显著改善；
·相比于通过水射流C)或D)，或者通过激光E)形成孔时所得到的性能，基本上相当的且经常略微更好的性能，但孔的形成简单得多且快得多；以及
·改善的性能和更高的孔密度，A)优于B)。
实施例3
如实施例2制造用于飞机刹车盘的碳纤维预成型件。
利用由供应商Foster Needles Co.和Groz Beckert提供的各种类型的带刺针，在预成型件上形成孔。致密化带孔的预成型件，如实施例2一样加工转盘、中心定盘和末端定盘。表II给出用不同类型的针和不同的孔密度所测量的每一类型的盘的相对密度值。前4行的针为由供应商Foster Needle Co.提供的针，其工作截面高度为0.45mm至0.55mm，其他针为由供应商Groz Beckert提供的针，其工作截面的高度为0.7mm至1mm。作为比较，也测量了以相同方式制造，但没有在预成型件上形成孔的盘的平均相对密度。
表II
 
针的类型 孔密度(孔) 穿刺表面数 转盘 中心定盘 末端定盘
15X18X40X3，5 RBA F20 6-2，5 B/CC 4孔/cm2 2 1.754
15X18X38X3，5 RB F20 6-3 B/PL 4孔/cm2 2 1.729
15X18X36X3，5 RB F20 4-3 B/CC 4孔/cm2 2 1.728
15X18X36X3，5 RB F20 6-3 B/PL 4孔/cm2 2 1.727
15X18X32X3，5 R 333 G3017 4孔/cm2 2 1.729
15X18X32X3，5 R 333 G3007 4孔/cm2 2 1.732 1.717 1.766
15X18X20X3，5 U 333 G1012 4孔/cm2 2 1.737
15X18X32X3，5 R 333 G1002 4孔/cm2 2 1.740
15X18X32X3，5 R 333 G3017 4孔/cm2 2 1.724 1.717 1.780
15X16X25X3，5 M 333 G3010 4孔/cm2 2 1.735
15X18X20X3，5 R 333 G3012 2孔/cm2 2 1.743
15X18X20X3，5 R 333 G3012 2孔/cm2 2 1.725
15X18X20X3，5 R 333 G3012 2孔/cm2 2 1.728 1.746 1.743
15X18X20X3，5 R 333 G3012 2孔/cm2 2 1.713 1.724 1.772
15X18X20X3，5 R 333 G3012 4孔/cm2 2 1.717 1.718 1.779
15X18X20X3，5 R 333 G3012 4孔/cm2 1 1.714 1.757 1.743
15X18X20X3，5 R 333 G3012 8孔/cm2 2 1.717 1.714 1.775
15X18X20X3，5 R 333 G2002 2孔/cm2 2 1.734
15X20X3，5 R 333 G1002 4孔/cm2 2 1.745
0 0 1.675 1.691 1.736
可以看出，得自具有孔的预成型件的盘的密度大于得自不具有孔的预成型件的盘的密度，即使针不仅工作截面不同，而且针的毛刺的数目、形状和深度也不同，但密度不非常取决于所用针的类型。
图16涉及到本发明方法的另一个实施方案，该实施方案与如上参考图2所描述的实施方案的不同在于孔在碳前体的步骤形成。
图16的方法包含连续的形成碳前体纤维的3D纤维基材的步骤60、得到碳前体纤维预成型件(在3D基材本身不构成这种预成型件的情况下)的步骤62、在碳前体纤维预成型件上形成孔的步骤64、碳化穿刺的碳前体纤维预成型件以得到穿刺的碳纤维预成型件的步骤66，以及通过CVI类方法致密化穿刺的碳纤维预成型件的步骤68。
可以如上述第一具体实施方案相同的方式在碳前体纤维预成型件上形成孔。然而，对于孔的横截面尺寸，需要考虑在碳化期间的收缩，因此，在碳前体纤维预成型件上形成的孔的截面需要大于在碳纤维预成型件上的孔所需的截面。
在第二实施方案的一个实施方案中，可以不在制造碳前体纤维的3D纤维基材之后，而是在制造所述3D纤维基材之时形成孔。适于此目的的装置的例子显示于图17。
在此实施方案中，通过将2D纤维布层(例如多向纤维片)重叠和连结在一起来制造由碳前体纤维制得的3D纤维基材。通过使用带刺针的针刺将所述纤维片连结在一起，所述的操作如下逐渐完成：当所述纤维片互相重叠时，通过针的动作利用相对于纤维片横向(Z方向)转移的纤维而进行连结。众所周知这种方法本身。能参照上述文献US 5792 715。
如图17所示，制得的纤维基材70由具有介于中间的基层74的基板72水平支撑。
针板80带有多个第一针82(每一个第一针用于通过转移纤维而在基材层之间进行连结)，和多个第二针84(所述第二针用于在基材上形成孔)。针82、84垂直延伸，针板80固定在用于提供在一个方向和相反方向垂直平移(Z方向)的元件86上。
将针82和84在相对于水平方向X横向延伸的一行或多行配置，其中基板72能在一个方向和相反方向移动，当基板到达冲程末端时，加上一层新布层。
针82比针84更多，且具有相对较小的工作截面。通常，对于具有三角形工作截面的带刺针，截面的高度优选不超过0.6mm，针82的功能是在Z方向转移纤维，而不是制造在碳化预成型件之后保持的孔。
针84以相对较小的数量存在，且具有大于针82的长度和工作截面。优选地，选择针84的长度不小于制造的纤维基材的厚度的一半，从而提供由所述纤维基材的每个表面延伸至少远至基材的中平面的孔。选择针84的工作截面要足够大，以形成在碳化之后具有不小于50μm的所需平均尺寸的孔。使用具有三角形工作截面的带刺针，截面高度优选不小于1mm。
与针82的数目相比，选择的针84的数目与所需的孔密度和利用针82所进行的针刺密度相关。
基板72可垂直移动，从而在其上放置新布层时能够逐步降低，并控制在纤维基材的整个厚度在Z方向转移的纤维的密度。
在穿刺最后一层布层之后，可能随着基板72逐步降低而进行精整针刺，以具有在基材的每一个表面上由针84形成的基本上相同的孔密度。
自然地，能用上述具有粗糙度的其他工具代替针84。
当纤维基材或预成型件由碳前体纤维制得，就与纤维基材或预成型件由碳纤维制造一样，能与制造纤维基材或预成型件同时同样好地进行形成孔的操作。
特别地，当使用将重叠的纤维布层针刺在一起的步骤直接由碳纤维制造纤维基材或预成型件时，能使用如图17所示类型的装置在针刺同时形成孔。

Claims (15)

1、一种具有由基体致密化的碳纤维增强件的复合材料零件的制造方法，所述方法包含如下步骤：
·制造碳纤维的连贯纤维预成型件，该预成型件具有在其至少一个表面上形成的孔；以及
·通过化学气相渗透类方法致密化该预成型件，以在其中沉积构成基体的材料，并得到；
其中：
·通过同时穿入多个非旋转的细长工具形成所述孔，所述工具基本上相互平行，在该工具表面上具有的粗糙度或凸起部分适于使该工具碰到的大部分纤维断裂，并将断裂的纤维转移至所述预成型件内，通过移动带有所述工具的支座实现工具的同时穿入；以及
·选择的工具具有的横截面使得可能在碳纤维预成型件中得到具有横截面的平均尺寸为50μm至500μm的孔。
2、根据权利要求1所述的方法，其中使用的工具由带刺针构成。
3、根据权利要求1所述的方法，其中使用的工具由线锯条构成。
4、根据权利要求1所述的方法，其中纤维预成型件由碳纤维制得，并具有平均密度为0.25孔/cm2至16孔/cm2的孔，所述平均密度在所述第一表面测量。
5、根据权利要求1所述的方法，其中纤维预成型件由碳纤维制得，并具有占所述第一表面总面积0.025％至2％的开放面积，所述开放面积在所述第一表面测量。
6、根据权利要求1所述的方法，其中使得所述工具穿入的距离相当于预成型件尺寸的至少一半，所述距离由平行于在所述预成型件的第一表面及其相对表面之间的孔测定。
7、根据权利要求1所述的方法，其中通过由碳前体纤维制备连贯的纤维预成型件，并碳化纤维基材以将碳前体转化为碳来制造碳纤维的纤维预成型件，其中在碳化纤维基材之后形成孔。
8、根据权利要求1所述的方法，其中通过由碳前体纤维制备连贯的纤维预成型件，并碳化纤维基材以将碳前体转化为碳来制造碳纤维的纤维预成型件，其中在碳化纤维基材之前在纤维基材中形成孔。
9、根据权利要求1所述的方法，其中通过由碳纤维制备连贯的纤维基材并随后形成孔来制造由碳纤维制得的纤维预成型件。
10、根据权利要求1所述的方法，其中通过由碳纤维直接制备连贯的纤维基材，然后进行另外的碳化步骤，并在另外的碳化之后在纤维基材中形成孔来制造由碳纤维制得的纤维预成型件。
11、根据权利要求1所述的方法，其中通过由碳纤维直接制备连贯的纤维基材，然后进行另外的碳化步骤，并在另外的碳化之前在纤维基材中形成孔来制造由碳纤维制得的纤维预成型件。
12、根据权利要求8所述的方法，其中在由碳前体纤维制造纤维基材之时形成孔。
13、根据权利要求12所述的方法，其中纤维基材的制造包括通过使用移动支座带有的针针刺重叠的纤维布层的步骤，其中孔形成工具与用于针刺的针装在相同的支座上。
14、根据权利要求1至13的任一项所述的用于制造碳/碳复合材料的刹车盘的方法，其中实现通过化学气相渗透的纤维预成型件的致密化，而无需在致密化结束之前进行任何刮皮步骤。
15、一种碳纤维增强复合材料的刹车盘，所述盘通过权利要求1至13的任一项所述的方法得到。
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