專利名稱：用于碳纖維處理和瀝青致密化的設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及浙青致密化以及，更特別的是，碳-碳復合材料的浙青致密化。
背景技術：
碳纖維增強碳材料是復合材料，也稱為碳-碳(C-C)材料，其一般包含在碳材料基體中增強的碳纖維。人們發現C-C復合材料被用在許多嚴酷的高溫應用。例如，已知航天 エ業使用C-C復合材料來制造不同的飛行器結構部件。應用實例包含火箭噴嘴、頭錐以及商用和軍用飛行器的摩擦材料，例如，制動摩擦材料。
發明內容
概括而言，本發明涉及用于處理纖維材料和用浙青致密化所處理的纖維材料的設備和エ藝。在一些實施例中，可以配置単獨的一個設備來接收碳纖維材料、壓縮碳纖維材料，并用浙青致密化壓縮后的碳纖維材料。該設備可以進行不同的處理步驟而無需將材料從設備中取出。根據本發明的一個實施例中，設備包含ー個模具，該模具定義了構造成接收將被致密化的材料的模腔，將模腔配置成從第一體積調整到比第一體積小的第二體積以在模腔中壓縮材料。該設備還包括氣源，該氣源構造成在模腔內施加氣體壓力從而迫使浙青進入模腔中的材料以使該材料致密化；和真空源，該真空源構造為至少在施加氣體壓力之前在模腔內制造真空壓力。根據本發明的另ー個實施例中，披露了ー種方法，包含將要被致密化的材料插入設備的模腔內，其中，該設備配置為采用真空壓カ滲透循環來使模腔內的材料致密化；通過將模腔從第一體積調整到比第一體積小的第二體積來壓縮模腔中的材料；以及利用真空壓力滲透循環對模腔內的壓縮材料進行浙青致密化。附圖和下面的描述中詳細地記載了ー個或多個實施例。說明書、附圖以及權利要求將使其他的特性、目的以及優點更加明確。
圖1是說明飛行器制動組件示例的示意圖。圖2是說明構造成處理和浙青致密化碳纖維材料的示例設備的概念框圖。圖3A和加是說明可在圖2示例設備中使用的碳纖維材料示例片段的概念圖。圖4A和4B是說明示例表面的概念圖，該示例表面可以結合起來形成用于與圖2 示例設備一起使用的示例模具的示例模腔。圖5是說明示例模腔的橫斷面視圖的概念圖。圖6A和6B是說明構造成處理和浙青致密化碳纖維材料的示例設備的示意圖。圖7是在單獨的一個設備內處理和浙青致密化材料的示例方法的流程圖。
具體實施例方式概括而言，本發明涉及處理纖維材料和用浙青使已處理的纖維材料致密化的設備和エ藝。在一些實施例中，可以配置単獨的一個設備來接收碳基纖維材料(在此也被稱為 “碳纖維材料”)、壓縮碳纖維材料以及用浙青致密化壓縮后的碳纖維材料。可以如此配置該設備，使得碳纖維材料可以在該設備的同一個模腔內被壓縮和用浙青致密化。為了使用這樣的示例設備來處理碳纖維材料，可以將材料插入模腔中。然后減小模腔的體積來壓縮位于模腔內的碳纖維材料。通過減小模腔體積壓縮碳材料，用于增加模腔內碳材料的纖維體積。換句話說，因為模腔整體體積減小，而模腔內纖維材料的量大致恒定，所以模腔內的纖維密度増加了。在實踐中，可以減小模腔體積來提供模具內碳纖維材料的期望纖維體積。壓縮碳纖維材料后，設備可以配置為利用氣體壓力、真空壓カ或氣體壓力和真空壓カ的組合，在設備的模腔內用浙青來浸漬碳纖維材料。例如，材料在模腔內被壓縮后，該設備可以配置為在ー個或多個真空壓カ滲透(VPI)循環中，利用氣體壓力和真空壓カ的組合來浸漬模腔內的碳纖維材料。在一些實施例中，取決于使用的特定材料，在用浙青浸漬之前(例如，在在模腔中被壓縮之前)，可以任選地在模腔內穿插碳纖維材料來使碳纖維材料不同的碳纖維纏繞在一起。對于通過減小模腔體積壓縮碳纖維材料，然后在相同的模腔內使之致密化的實施例，并不需要將碳纖維材料插入到預成形品制造設備中來被制造成預成形品(其可包含碳材料的壓縮和/或碳化)，從第一預成形品設備中取出，然后插入単獨的浙青致密化設備中并在其中致密化。相反，可以在相同的設備內對碳纖維材料進行壓縮和致密化過程。因為這樣的示例設備不需要將在第一個設備中制造成預成形品的碳纖維材料取出并插入第二個設備來致密化，該設備可以消除C-C復合材料部件制造過程中的一個或多個處理步驟。在一些實施例中，根據本發明的設備可以處理在其他情況下可能無法很容易地制造成預成形品的碳纖維材料。例如，根據本發明的示例設備可以處理碳化纖維(已被碳化的碳和/或碳酸纖維)或浙青纖維(浙青材料構造的纖維)，這些纖維一般太脆不能制造成預成形品。在一些實施例中，因為示例設備可以處理碳化纖維，浙青纖維等，所以可不再需要ー個單獨的設備來進行如預成形品制造的處理步驟或者碳化可被省略。在一些實施例中，為了制造C-C復合材料部件，碳基纖維材料可能要在不同的設備中經歷多個處理步驟，從而排列、強化并致密化該碳纖維材料使之成為成形的部件。例如，可以利用ー個或多個設備將碳纖維材料處理成碳預成形品。預成形品處理步驟可以增加碳纖維材料的機械強度，使碳纖維材料準備好在浙青致密化期間接收加壓浙青。在不同的實施例中，可通過將碳纖維材料排列為成品部件的形狀，向材料中添加粘結劑，例如酚醛樹脂，穿插材料和/或使材料碳化，來將碳纖維材料處理成預成形品。這些處理步驟可以分別在各自単獨的設備上進行。例如，在使用氧化PAN纖維的案例中，在將其在一個或多個設備上排列為成品部件的形狀并穿插后，碳材料可被轉移到ー個單獨的碳化設備中。通過在惰性氣氛下加熱該材料從而從該材料中除去非碳元素(例如，H、N、0、S 等)和其它雜質，碳化設備可以將聚丙烯腈(PAN)纖維碳化。用這種方式，可以將碳纖維材料制造成預成形品。在一些實施例中，將碳纖維材料轉變成預成形品后，可將預成形品轉移到ー個單獨的設備中進行浙青致密化。例如可以將預成形品轉移到一個設備中，該設備能夠通過樹脂傳遞成型(RTM)或真空壓カ滲透(VPI)利用浙青來浸漬預成形品。以這種方式，預成形品可進ー步被處理成C-C復合材料。總體而言，這樣的處理需要多個不同的設備來制造C-C 復合材料。根據本發明描述的ー些實施例，可將設備配置為既為接收浙青而處理碳纖維材料又用浙青浸漬處理后的碳纖維材料。在一些實施例中，可以將碳纖維材料插入設備的模腔中并在模腔內壓縮。在一些實施例中，插入模腔并在其中壓縮的碳纖維材料可以包含在插入模腔前已經被碳化的纖維材料。這種材料的例子可以包含碳化PAN纖維、碳化浙青纖維、 碳化人造絲纖維等。在在模腔內壓縮碳纖維材料后，設備可以配置為利用氣體壓力、真空壓カ或氣體壓カ和真空壓カ的組合，在同一個模腔內用浙青來浸漬碳纖維材料。例如，該設備可以配置為使用ー個或多個真空壓カ滲透(VPI)循環，利用氣體壓力和真空壓カ的組合來浸漬碳纖維材料。以這種方式，該設備可以通過在相同的設備內壓縮碳材料并還用浙青浸漬該材料來處理碳纖維材料。在一些實施例中，根據本發明的設備可用于處理和浙青致密化多種碳纖維材料來制造C-C復合材料部件。例如，如上所述，可將設備配置為處理和浙青致密化預碳化的碳纖維材料。預碳化的碳纖維材料可以是在插入設備進行壓縮和浙青致密化之前經歷了碳化以除去非碳元素的纖維材料。使用預碳化碳纖維材料可以省去碳化處理，例如，制造預成形品過程中進行的碳化步驟，否則碳化處理可能在制造C-C復合材料部件的過程中進行。在一些實施例中，在根據本發明的示例設備上處理的碳纖維材料不需要単獨的粘結劑材料將碳纖維材料不同的纖維粘在一起。相反，這種示例設備可以向不含単獨的粘結劑材料的碳纖維材料中加入熔融浙青。浙青可以增加材料的密度(致密化材料)，并將材料不同的纖維結合在一起。以這種方式，浙青材料在模腔內既可用于致密化壓縮材料又可將壓縮材料結合在一起。參考圖2-6，將更詳細地描述示例設備的特征和碳纖維材料。在下文中參考圖7描述相關的示例技木。然而，首先將參考圖1描述可含有一個或多個根據本發明實施例制造的C-C復合材料的示例飛行器制動組件。圖1是說明可以包含根據本發明的エ藝形成的ー個或多個C-C復合材料部件的示例組件的概念圖。特別地，圖1說明了一個飛行器制動組件10，其包含輪12，致動器組件 14，制動堆16和軸18。輪12包含輪轂20、輪外伸凸緣22、胎圈座24A及MB、長平頭螺栓 26和長平頭螺母28。致動器組件14包含致動器外殼30、致動器外殼螺栓32和柱塞(未標示)。制動堆16包含交替的轉子盤36和定子38，它們彼此相對移動。轉子盤36通過梁鍵 40安裝到輪12，具體是輪轂20上。定子盤通過花鍵44安裝到軸18，具體是扭矩管42上。 輪組件10可以支撐任何種類的私人、商業或軍用飛行器。輪組件10包含輪18，在圖1的示例中由輪轂20和輪外伸凸緣22來定義。輪外伸凸緣22通過長平頭螺栓沈和長平頭螺母觀機械地固定到輪轂20上。輪12定義了胎圈座24A和MB。在裝配過程中，可將ー個可充氣輪胎(未標示)放置在輪轂20上，在相對面上用輪外伸凸緣22固定。然后，可以擰緊螺栓沈上的螺母觀，在由胎圈座24A和24B 為可充氣輪胎提供氣密密封的情況下，可充氣輪胎就可以進行充氣了。CN
輪組件10可以通過扭矩管42和軸18安裝到飛行器上。在圖1的示例中，扭矩管 42由多個螺栓46固定到軸18上。扭矩管42支撐致動器組件14和定子38。軸18被安裝到起落架支柱(未標示)來將輪組件10連接到飛行器上。在飛行器的操作過程中，可能經常需要制動，如在著陸和滑行吋。因此，輪組件10 可以通過致動器組件14和制動堆16來支持制動。致動器組件14包含致動器外殼30和柱塞34。致動器組件14可包含不同類型的致動器，例如，電氣機械致動器、液壓致動器、氣動致動器等等。在操作過程中，柱塞34可從致動器外殼30延伸遠離來軸向地壓縮制動堆16 到壓縮點48從而進行制動。制動堆16包含交替的轉子盤36和定子盤38。轉子盤36由梁鍵40安裝到輪轂20 上共同旋轉。定子盤38通過花鍵44安裝到扭矩管42上共同旋轉。在圖1的示例中，制動堆16包含四個轉子和五個定子。然而，制動堆16中還可以包含不同數量的轉子和/或定子。此外，轉子和定子的相對位置可以互換，例如，使得轉子盤36可以安裝到扭矩管42上而定子盤38安裝到輪轂20上。轉子盤36和定子盤38能夠提供相対的摩擦表面使飛行器制動。由于移動的飛行器的動能在制動堆16中被轉化成熱能，制動堆16中的溫度可能會迅速升高，例如，超過200 攝氏度。對于ー些飛行器，緊急制動可能導致溫度超過500攝氏度，在某些情況下，甚至超過800攝氏度。因此，形成制動堆16的轉子盤36和定子盤38可包含能在上述溫度下工作的穩健的熱穩定材料。在一個實施例中，由金屬合金制成轉子盤36和定子盤38，例如，基于 Ni, Co, Fe等超級合金。在另ー個實施例中，由根據本發明一種或多種示例技術制造的C-C復合材料制成轉子盤36和/或定子盤38。特別是，可由利用浙青致密化設備制造的碳基纖維材料制成至少ー個轉子盤36和/或至少ー個定子盤38，該設備配置為在模腔內接收碳纖維材料，在模腔內壓縮碳纖維材料，并在模腔內用浙青浸漬處理后的碳纖維材料使材料致密化。C-C復合材料部件可以由該壓縮和致密化的碳纖維材料制成，并且該部件定義轉子盤或定子盤的大體形狀。不依賴選擇的具體材料，轉子盤36和定子盤38可以由相同的材料或不同的材料制成。例如，輪組件10可包含金屬轉子盤36和C-C復合材料定子盤38，反之亦然。此外， 轉子盤36的每片盤和/或定子盤38的每片盤可以用相同的材料制成，或者轉子盤36和/ 或定子盤38的至少一片盤可由與轉子盤36和/或定子盤38的至少另一片盤不同的材料制成。如前所述，轉子盤36和定子盤38可分別通過梁鍵40和花鍵44安裝到輪組件10 上。梁鍵42可以沿輪轂20內側圓周間隔。梁鍵可成形為帶有相對兩端(例如，長方形的相對側)，并且可以將一端機械地固定在輪轂20內部而相反的一端機械地固定到輪轂20的外部。梁鍵42與輪轂20可以是一體成型或者可以是分離的并機械地固定到輪轂20上，例如，在轉子盤36和輪轂20之間提供熱障。為此，在不同的實施例中，輪組件10可以含有一個隔熱板(未示出)，其徑向延伸出來并在外部圍繞制動堆16，例如，來限制制動堆16和輪 12之間的熱轉移。花鍵44可以沿扭矩管42外部圓周間隔。花鍵44與扭矩管42可以是一體成型或者可以是分離的并機械地固定到扭矩管42上。在一些實施例中，花鍵44可以在扭矩管42
6中定義側凹槽。因此，定子盤38可包含多個徑向向內設置的凹ロ，這些凹ロ構造為被插入花鍵內。由于梁鍵40和花鍵44可分別與轉子盤36和定子盤38發生熱接觸，所以梁鍵40 和/或花鍵44可以用熱穩定的材料制成，包括，例如，上文參照轉子盤36和定子盤38討論的那些材料。因此，在一些實施例中，可以利用本發明的示例技術制成用于輪組件10的梁鍵和/或花鍵。例如，將浙青致密化設備，如設備50(圖幻配置為接收碳纖維材料，壓縮和 /或穿插碳纖維材料，并用浙青在相同的模腔內浸漬壓縮后和/或穿插后碳纖維材料，該設備可用于制造具有通常梁鍵40和/或花鍵44的大體形狀的C-C復合材料部件。圖2是說明示例設備50的概念框圖。設備50被配置為在模具M的模腔55中處理材料52，并浙青致密化處理后的材料而無需將材料52從模具M的模腔55中取出。特別是，設備50構造成通過如下方式處理材料52 減小模腔55的體積(例如，調整模腔55的尺寸)以在模腔陽內壓縮材料52 (在圖2中表示為壓縮模塊58)。如圖所示，進ー步配置設備50以通過真空壓カ滲透(VPI)過程(在圖2中表示為真空壓カ滲透(VPI)模塊60)來致密化材料52。例如，在模具M的模腔55內壓縮材料52后，利用VPI模塊60，設備50可以進行ー個或多個VPI循環從而用浙青致密化材料52。可以任選地將設備50配置為通過穿插或將模腔陽內的材料52的一部分纏在一起的其他方式(圖2中表示為穿插模塊62) 來處理材料。一般情況下，圖2中壓縮模塊58、VPI模塊60和穿插模塊62代表設備50不同的結構特征和部件，這些特征和部件使設備50能執行每一個相應的處理功能。用壓縮模塊58、 VPI模塊60和穿插模塊62代表的結構特征和部件的實例包括本文中參照每個相應的處理來描述的那些。設備50包含定義模腔55的模具M，并且模腔55容納將被設備50壓縮和致密化的材料52。在設備50的操作過程中，通過將模腔55的體積從第一體積調整到小于第一體積的第二體積，壓縮模塊58可以對模腔55內的至少部分材料52進行壓縮。在在模腔55 內壓縮材料52后，可以對模具M的模腔55內的浙青56加壓使之填充到材料52的孔中。 設備50可以利用VPI模塊60對模腔55中的浙青加壓。以這種方式，設備50可用于壓縮材料52，利用浙青浸漬材料52來増加處理后的材料的密度而形成C-C復合材料部件。任選地，在壓縮材料52前，穿插模塊62可以通過在設備50的操作過程中將ー個或多個針可收縮地延伸到至少部分模腔55內以使材料52纏在一起來穿插材料52。模具M可能含有不同的端ロ，用于接收浙青56 (例如，來自向模腔55供應浙青的外部設備)，在模腔55內的致密化過程中排出由浙青56從材料52的孔內擠出的空氣，接收加壓氣體，排空模腔陽內氣體形成真空壓カ等。在設備50的操作過程中，模具M的模腔 55可以通過提供受限的腔體以約束材料52來保持加壓浙青56。在一些實施例中，模具M 可以是與設備50分離的并可插入到設備50中。在其他的實施例中，模具M可以是設備50 固有的一部分。雖然圖2所示的模具M定義了単一的模腔55來接收材料52，然而在其他的實施例中，模具M可以定義多個模腔均配置為接收碳材料。在一些實施例中，模腔陽具有與C-C 復合材料成品部件的形狀相應的形狀。例如，模腔55的形狀可大致對應于環形轉子盤或環形定子盤的形狀(如圖1中的轉子盤36或定子盤觀)。在模腔55內的處理過程中(例如，在在模腔內被壓縮后)，材料52可呈現出模腔55的形狀，因此材料52大致對應于成品部件。在一些實施例中，可以將材料52任選地機加工成所需的形狀。如下面將參考圖4和5更詳細地描述地，模具M可以包含一個或多個可活動的特征，使得在壓縮模塊58的操作過程中，例如，通過調整模腔55的尺寸可以調整模腔55的體積。在一個實施例中，可以用模具M的頂部和底部表面對模具M的模腔55進行部分限定。 壓縮模塊58可致動模具M的頂部表面和/或模具M的底部表面向另ー個表面相對移動來減小模腔陽的體積。當壓縮模塊58致動模具M的頂部表面和/或模具M的底部表面吋，取決于材料52的體積，材料52可以在模腔55內被壓縮。以這種方式，可以利用設備50 將材料52在模腔55內壓縮得到所需的纖維體積。設備50能夠處理各種不同的材料。一般而言，利用設備50制造的C-C復合材料部件包含在碳基體中增強的碳材料。因此，材料52可以包含但不僅限干，編織和非編織的碳基纖維材料。在一些實施例中，碳基纖維材料是連續的粗紗或連續的TOW材料。在ー些實施例中，碳基纖維材料可以包含聚丙烯腈(PAN)纖維。在其他的實施例中，碳基纖維材料可以包含浙青纖維，其中碳纖維材料由浙青材料制成。也可使用其他類型的纖維，例如，碳化人造絲纖維和纖維素纖維。插入到設備50內之前，材料52可能還要經過處理，以為形成C-C復合材料部件做準備。例如，在插入設備50內之前，可以將材料52碳化以除去碳纖維材料中的非碳元素 (例如，H、N、0、S等)和其他雜質。這種材料可被稱為預碳化的材料。可利用的預碳化材料包含碳化PAN纖維、碳化浙青纖維和碳化人造絲纖維。在材料52預碳化的情況下，在被放入模腔55之前，材料52可以部分碳化或完全碳化。在一些實施例中，完全碳化的材料可表現出約1. 74克每立方厘米到約1. 78克每立方厘米之間的密度，但是其他的值也是可以預期的。通過將完全碳化的材料插入設備50的模腔55中，在C-C復合材料部件的制造過程中可以省略単獨的碳化處理步驟，例如，在預成形品制造過程中進行的碳化步驟。在其他實施例中，如參考圖3A和加進ー步描述地，材料52最初可能包含在模腔 55內彼此層疊的多個片段。例如，可能由針織、編織和/或非編織材料形成材料52的每個片段。在一些實施例中，可將材料的一部分穿插在一起來定義片段。在其他的實施例中，可以在材料的一部分中加入粘結劑來定義片段。例如，將如聚醋酸乙烯酯或淀粉的粘合劑加入材料的一部分中。在一些實施例中，與不是由多個層疊的片段制造的C-C復合材料相比，利用設備 50用層疊片段材料52制造的C-C復合材料可表現出増大的機械強度。在一些實施例中，使用多層片段最初形成材料52，能夠使材料52在設備50上的浙青致密化循環中承受住加壓浙青的壓カ而不被剪切開。設備50可用于增加模腔55內材料52的密度。與成品C-C復合材料部件相比，當最初插入模具M的模腔陽吋，材料52可表現出相對較低的纖維密度(例如，纖維質量/ 纖維體積)。例如，在插入模腔55被設備50處理之前，材料52可能表現出約0. 25克每立方厘米(g/cc)到約1.75g/CC之間的纖維密度。另ー方面，成品C-C復合材料部件(例如， 已通過壓縮模塊58壓縮并經VPI模塊60用浙青致密化的材料)一般表現出更高的密度。 在一些實施例中，成品C-C復合材料部件可表現出大于1. 5克每立方厘米的密度，例如，大于1. 75克每立方厘米的密度。在隨后的操作中C-C復合材料部件的密度可能會影響部件的性能，例如，部件承受剪切力和熱循環的能力。密度的増加可能至少部分是由于最初插入設備50的模腔55后，對材料52進行了壓縮和浙青致密化。在一些實施例中，材料52插入模腔后，壓縮模塊58可以縮小模腔的尺寸體積(例如，通過改變模腔55的尺寸)來壓縮材料52，例如，從最初放入模腔55時從材料52的原始密度開始增加材料52的密度。在一些實施例中，壓縮模塊58可包含液壓壓カ機或其他壓力機(未在圖2中標示)來對模具M的模腔55內的材料52進行壓縮，増加材料52的密度。在操作過程中，這種壓力機會對模具M的模腔55內的材料52施加機械カ以減小材料 52的體積。例如，壓縮模塊58的壓カ機可以通過以減小模腔55的體積的方式將模具討兩個獨立的表面致動或“擠壓”在一起來向材料52施加機械力。通過降低模腔55的體積，壓縮模塊58施加的機械カ可以增加材料52的堆積密度。由于模腔55的體積減小，材料52 占用的空間體積増大，從而模腔內材料52的纖維體積密度増加了。在不同的實施例中，壓縮模塊58的壓カ機可以包含氣動缸、液壓缸或者其他的機械致動力，例如滾珠螺桿裝置， 用于在模腔陽內壓縮材料52。壓縮模塊58可以將材料52壓縮到任何合適的密度。在一些實施例中，壓縮模塊 58可將材料52緊實到約15體積百分比材料和約50體積百分比材料之間的，例如，約17體積百分比材料和約30體積百分比材料之間的體積密度。計算纖維體積密度可以用材料52 的纖維占用的空間量除以材料52占用的空間總量(包含材料52不同纖維之間的空氣)。利用壓縮模塊58向材料52施加的力的量可以變化，例如，基于所使用的材料52 的類型和所制造C-C復合材料部件的類型。話雖如此，在一些實施例中，當用壓縮模塊58 在模腔陽內壓縮材料52吋，可利用壓縮模塊58向材料52施加至少約1. 9磅每平方英寸 (psi)的力。其他值也都是可能和可行的。如上所述，除了或者代替利用壓縮模塊58處理材料52，可用穿插模塊62穿插模具 54的模腔55內的材料52來纏繞全部或部分的材料52。穿插模塊62可能包含ー個或多個針(例如，兩個、三個、四個或更多)用于穿插材料52。在操作過程中，穿插模塊62的針可以可收縮地延伸到模具M的至少部分模腔陽內并穿過材料52。在一些實施例中，穿插模塊62的一個或多個針可具有鉤狀的遠端，其延伸到至少部分模腔55內并穿過材料52。一旦被抽回，針62可以在向下行程上鉤和/或纏繞材料52不同的纖維。在在模腔55內浙青致密化材料52前，穿插可有助于增加模腔55內的材料52的機械強度。例如，在材料52包含多個隨機取向或相互不連接的不同纖維的情況下，在浙青致密化時材料52不同的纖維可能會彼此分開。這可能會減小所得C-C復合材料部件的強度。然而，通過用穿插62在模腔55內穿插材料52，材料52可纏在一起成在隨后的浙青致密化期間阻止分離的結構。在一些實施例中，碳材料的這種穿插可能會増加沿ζ方向定向纖維數量(例如，圖5所標示)。雖然圖2示例中設備50包含穿插模塊62，但是設備50也可以通過壓縮模塊58壓縮模腔陽內的材料52并且隨后將模腔55內的壓縮材料浙青致密化而無需穿插材料52。 例如，在材料52可能包含太脆或其他原因不適于穿插的纖維的情況下，設備50仍然可以壓縮碳纖維材料并浙青致密化模腔55內的該材料。因此，在一些實施例中，設備50可以不包含穿插模塊62。
在通過穿插模塊62在設備50中穿插材料52的實施例中，設備50可以在用壓縮模塊58壓縮材料52之前或之后穿插材料52。在一些實施例中，由于材料密度較低，在用壓縮模塊58壓縮材料52前穿插材料52可能是有用的。在穿插時，相比更致密的材料52，例如，已被壓縮模塊58在模腔55內壓縮過的材料，密度較小的材料52可能更容易被針62穿透。無論在浙青致密化之前在模腔55中的材料52上執行的具體處理步驟如何，設備 50都可以通過，例如利用VPI模塊60，用浙青56浸漬材料52對材料進行浙青致密化。浙青56可以是富含碳氫化合物的材料，其可從例如煤、焦油和石油中提取。浙青56也可以是合成的。在不同的實施例中，浙青56可能來自単一來源(如煤)，或可能是來自不同來源的不同浙青的組合物。在一些實施例中，浙青56可能是中間相浙青。在其他實施例中，浙青 56可能是各向同性浙青。中間相和各向同性浙青的組合物也是可行的。浙青56可以具有高于通常環境溫度的熔融溫度。因此，在致密化材料52前，可將浙青56加熱至可流動的狀態。如在下文參照圖6A和6B詳細描述地，在一些實施例中，可將固態浙青56加入設備50中，然后在致密化期間在設備50中加熱到其熔融溫度以上。在其他的實施例中，可將浙青56在設備50以外加熱至融化溫度以上，并將熔融浙青傳送到設備50的模腔55中。在一些實施例中，可將浙青56加熱到約200攝氏度到約450攝氏度之間，如約275攝氏度到約330攝氏度之間的溫度，熔融成可流動的狀態。通過VPI模塊58，利用至少ー個VPI循環，圖2示例中的設備50可以使用浙青56 致密化模腔55內的材料52。在VPI循環中，可以將模腔55降低至真空壓カ來排空材料52 的孔。在一些實施例中，可以制造約1托到約100托之間，例如約10托到約20托之間的真空壓力。當材料52的孔準備好接收浙青56后，可以用浙青56充滿模腔55。在向設備50 中提供部分固態浙青的實施例中，如參考圖6A和6B進行描述地，通過將浙青56加熱至浙青56的熔融溫度以上來實現充滿的過程。在將浙青56以可流動的狀態傳送至設備50的實施例中，可以通過例如，通過加壓浙青56罐，機械傳送浙青56、或者使用模腔55的真空壓カ將浙青56抽入模腔55來實現充滿的過程。充滿模腔55后，可以用氣體如惰性氮氣對浙青56加壓。在一些實施例中，可以使用約10磅每平方英寸(psi)到約IOOOpsi之間，例如，約300psi到約700psi之間的氣體壓力。加壓可有助于使浙青56通過材料52不同的孔。按照這種方式，可利用設備50通過ー個或多個VPI循環來致密化材料。在一些實施例中，如上文簡述，在被壓縮和/或穿插后但在致密化前，材料52可表現出約0.25克每立方厘米(g/cc)到約l.Og/cc之間的密度。在一些實施例中，經過 VPI (60)循環，材料52可表現出約1. 35克每立方厘米到約1. 5克每立方厘米之間的密度。 由VPI模塊60執行的VPI循環可被定義為一個單ー的致密化過程，在此期間用浙青在一組定義的條件(例如，氣體流速、溫度、時間等)下滲透預成形品52。設備50可以通過VPI模塊60用ー個VPI循環或多個VPI循環來致密化材料52， 而無需將材料52從模腔55中取出。例如，設備50可以通過VPI模塊60來致密化材料52， 直到材料表現出適合要制造的C-C復合材料部件的密度。在一些實施例中，設備50可以致密化模腔陽內的材料52，直到材料表現出約1. 6克每立方厘米到約1. 9克每立方厘米之間的密度。雖然圖2示例中的設備50包含VPI模塊60，但是在更多的實施例中，設備50可配置為在VPI模塊60基礎上或代替之使用真空壓カ滲透以外的致密化技術來致密化材料 52。在一個實施例中，設備50可利用ー個或多個樹脂傳遞成型(RTM)循環來致密化模腔 55內的材料52。一般情況下，樹脂傳遞成型循環可包含致動柱塞(例如，液壓活塞)通過充滿浙青56的腔從而將加壓浙青注入模腔55并使其通過材料52不同的孔。在另ー個實施例中，設備50可利用ー個或多個真空輔助樹脂傳遞成型(VRTM)循環來致密化材料52。 真空輔助樹脂傳遞成型循環可認為是RTM循環的ー種形式，其中至少在RTM循環開始前，在模腔陽內制造真空壓力。于2010年11月2日提交，共同受讓的申請號為12/938，170和 12/938，201，題目均為“浙青致密化設備”的美國專利申請中，描述了構造成根據多種不同浙青致密化技術可選擇的ー種技術而浙青致密化材料的示例設備。這兩份申請的全部內容將納入本文作為參考。雖然設備50可以被配置為在使用VPI模塊60的VPI循環的基礎上或代替之利用不同的浙青致密化技術來浙青致密化材料52，但是與其他類型的致密化循環相比，VPI循環可能對材料52更加溫和。不受任何特定理論的約束，我們認為當浙青56開始滲透材料 52時會在整個材料52上造成壓カ梯度。壓カ梯度導致材料52內產生內部應力。如果材料52不足夠堅固而不能承受內部應力，部分材料52可能會被剪切開或者材料52的不同層之間可能會分層，以致破壞材料52的形狀和機械強度。例如根據本發明的一些實施例，在材料52不預先處理成預成形品時，這種影響可能會加劇。然而，通過在VPI循環開始時，在模腔陽內制造真空壓力，就可以減少或消除抑制浙青56自由流進入材料52不同的孔的背壓。此外，在VPI循環的加壓部分中施加在材料52上的壓カ可能低于其他類型的致密化技術在材料上52施加的壓力，例如，RTM循環。在這一方面，VPI循環可有助于對不預先處理成預成形品的材料進行浙青致密化。設備50可用于處理表現出不同大小和形狀的材料。例如，基于模腔55的大小和形狀以及要制造的C-C復合材料部件的大小和形狀，材料的大小和形狀可能會有所不同。然而，在一些實施例中，在被插入設備50的模具M前，材料52可被處理并定義成大致相應于成品部件的形狀。在ー些另外的實施例中，在被插入設備50的模具M前，材料52可被處理成ー個或多個分開的片段。將材料52處理成分開的片段可増加材料52的機械強度，并使得材料52易于放入設備50中。圖3A和加是可插入設備50進行處理并隨后進行浙青致密化的材料52的示例片段的示意圖。圖3A說明了由材料52制造的碳材料的單一片段81示例(也稱為“單一片段 81”)，其被構造為(例如，大小和形狀被設定為)插入模具M的模腔55內。圖;3B說明了由材料52制造的多個材料片段80A-80E(統稱為“片段80”)，這些片段共同定義了大概對應于成品C-C復合材料部件的形狀，在圖:3B的示例中是ー個制動轉子盤或制動定子盤。每個片段80 (圖3B)可與單一片段81 (圖3A)相同或大致相似。可使用任何合適的技術制作片段80。在一個實施例中，將部分材料(例如，針織、 編織或非編織材料)預切或以其他方式預處理成所需的形狀以用于插入模具M的腔陽中。由非編織材料形成的單一片段的例子可以包含穿插的纖維、帶粘結劑如聚醋酸乙烯酯 (PVA)或淀粉的材料、粘合劑纖維(如聚丙烯，聚乙烯)、由空氣纏在一起的材料，以及用水射流纏在一起的材料。盡管本發明并不限制片段80具有任何特定的尺寸，但在ー些實施例中，當在模腔55內被組裝吋，每個片段80的大小和形狀可被設置為使其大致對應于成品C-C復合材料部件(或其部分)的大小和形狀。在一個實施例中，成品部件可能是定義了大致環形形狀的制動轉子盤或制動定子盤(例如，圖1飛行器剎車組件10中的轉子盤36或定子盤38)。 在這樣的實施例中，當組裝片段80吋，可以使其大小和形狀大致對應于轉子盤36或定子盤 38的大小和形狀。在一些實施例中，圖:3B示例中的片段80結合在一起，以定義具有內徑 82和外徑84的環形形狀。在一些實施例中，內徑82的范圍可能在約6英寸到約13英寸之間，而外徑84的范圍可能在約9英寸到約25英寸之間。然而，其他數值也是可能的且可行的。片段81段可以定義任何合適的形狀。在片段81與其他片段使用在一起定義環形形狀的實施例中，片段80可以定義環形的一個較小的部分。例如，片段81可以定義為具有弓狀底邊的大致的梯形。在另外的實施例中，片段81與其他片段結合使用，在被放入模具 54的模腔55內吋，可以設計使每ー個片段與其他片段交疊放置。在模腔55內交疊放置材料52的不同片段能夠制造一種互鎖結構，在浙青致密化時阻止分離。圖3A示例中的片段80定義了圖3A中標明的Z向上的厚度。設備50能夠壓縮和 /或穿插并浙青致密化具有任何合適厚度的材料52的片段80。可以利用一層或多層片段 80形成材料52的厚度。在一些實施例中，材料52的整體厚度適合于形成C-C復合材料部件。在這些實施例中，材料52的整體厚度介于約0. 25英寸到約2英寸之間，但是其他值也是可能的。在多層交疊片段形成材料52的實施例中，單一片段的厚度可以介于約0. 05英寸到約0. 20英寸之間。雖然前文的描述包含材料52的示例形狀和尺寸，應當意識到其他形狀和尺寸也是可以預期的，本發明不局限于使用具有任何特定大小或定義為任何特定形狀的材料。如上文參考圖2所述，模具M配置為在模腔55內接收材料52。例如，基于由設備50形成的C-C復合材料部件的形狀和大小，模腔55的特定形狀和大小可能會有所不同。 圖4和5說明了根據本發明的模具M的一個實施例的不同示例視圖。圖4A和4B是分別說明定義模腔陽的第一部分90和第二部分92的概念圖。圖5是說明示例模腔55的概念圖，該模腔至少部分是分別由圖4A和4B中的第一部分90和第二部分92定義的。在圖4和5的示例中，由第一部分90和第二部分92大致相対的表面定義模腔55。 第一部分90和第二部分92在分型線94處可以分開，例如，打開模具M以添加或取出材料 52。第一部分90定義頂面96，第二部分92定義與頂面96相対的底面98。一般情況下，模腔55可配置為接收材料52。例如，在操作中，材料52可放入模腔55的底面98上，然后將第一部分90放置在材料52上。第一部分90和第二部分92可以彼此相對移動(例如，通過壓縮模塊58的壓カ機(圖幻)來壓縮模腔55內的材料52。當在模具M的模腔55內壓縮材料52時，模具M可以為浙青致密化材料52定義ー個受限的區域。在設備50的操作過程中，模腔55內的壓カ可以從真空壓カ變化至高于環境壓力， 將浙青56添加到模腔55中，在致密化期間排出材料52孔中的空氣。模具M可包含通向腔55的不同的流體通道端ロ，以提供用于處理材料52的流體連通。在圖5的示例中，模具 M包含浙青端ロ 102、壓カ端ロ 104和排氣端ロ 106。浙青端ロ 102可與浙青源流體連通， 在浙青致密化循環期間向模腔55供給熔融浙青56。壓カ端ロ 104可與氣源流體連通，在 VPI循環中調整模腔55內的壓力。排氣端ロ 106可與真空源流體連通，在VPI循環中在55模腔內制造真空壓力，或與排空管線連接，從而在熔融浙青滲透材料52的孔時排出模腔55 內材料52中的空氣。如上所述，設備50能夠通過穿插模塊62穿插模腔M內的材料52。在穿插操作過程中，針能可收縮地延伸到模具M的至少部分模腔陽內，并通過至少部分材料52，從而纏繞材料52的不同纖維。在這些實施例中，為適應穿插過程，模具M可包含針孔108。針孔 108定義為能使針可收縮地延伸進模腔55內的開ロ。盡管在圖4和5的示例中針孔108延伸穿過模具M的第二部分92，但針孔108也可延伸到模具M的第一部分90、模具M的第二部分92或者模具M的第一部分90和第二部分92。模具M可包含一個針孔108或多個 (例如，兩個、三個、四個或更多)針孔108。在一些實施例中，模具M每平方英寸可包含約 5個針孔到約10個針孔。如上所述，在設備50的操作過程中，利用壓縮模塊58(圖2)可以在模具M的模腔陽內壓縮材料52。在一些實施例中，一個壓カ機可以在Z方向上相對于第二部分92致動第一部分90(如圖5所示)，以減小模腔55的體積并在模腔55內壓縮材料52。在這樣的操作過程中，頂面96和底面98可能直接或間接接觸材料52來壓縮模具M內的材料52。在一些實施例中，第一部分90可定義凹部110，其突進頂面96的平面中；并且第二部分92可定義伸出底面98平面的匹配的突起99。凹部110的大小和形狀設置為使得當向著第二部分92驅動模具M的第一部分90以減小模腔55的體積和/或密封模腔55吋， 凹部110與突起99相互配合。在其他的實施例中，第一部分90定義大致平面的頂面96， 在模具M的第一部分90相對于模具M的第二部分92移動來密封模腔55時與第二部分 92的突起99相互配合。一般情況下，雖然圖5示例中的模具M包含凹部110和突起99， 應當意識到本發明并不局限于這一方面，而且在其他的實施例中，可以用除本文中描述以外的其他模具構造來實施本發明的技術。由圖5可見，在一些實施例中，通過減小模腔55內材料52在Z方向上的厚度112， 可以壓縮模腔陽內的材料52。在壓縮過程中，由于空氣從材料52不同的纖維之間除去， 因此增加了模腔55內材料52的纖維體積密度。例如，壓縮后，材料52可表現出約15%到約50 %之間，例如約M %到約觀％之間的纖維體積密度，纖維體積密度可以用材料52的纖維占用的空間量除以材料52占用的總的空間量(包含材料52不同纖維之間的空氣)來計算。然而，應該意識到，上述數值僅僅是示例，并且除了上文所說明的以外，根據本發明的設備都可以壓縮材料52使之密實為其他密度。圖6A和6B是說明示例浙青致密化設備150的概念圖。浙青致密化設備150配置為在模腔202內接收碳纖維材料、壓縮碳纖維材料并用浙青致密化壓縮后的碳纖維材料。 雖然設備150不包含相當于穿插模塊62(圖幻的特征，但是設備150在其他方面是設備 50(圖幻的示例，并說明了設備50內可包含的各個部件。圖6A是說明模腔202在開放位置的設備150的概念圖。當在開放位置吋，可將材料52插入模腔202或在被壓縮和/或致密化后將材料52從模腔202中取出。圖6B是說明模腔202在封閉位置的設備150的概念圖。當在封閉位置吋，例如，材料52在模腔202內被壓縮后，可以用浙青將模腔202內的材料52致密化。如圖所示，設備150包含壓板152A和152B、承梁154、夾板156A和156B、墊板158、 絕熱板160A和160B、承梁頂出板162、推桿164、真空線控制缸166、真空線控制桿168、真空端ロ 170、氣體進料控制缸172、氣體控制桿174、氣體端ロ 176、浙青室178、浙青進料缸180 和浙青進料柱塞181。模具200放置在絕熱板160A和160B之間。模具200定義了容納材料52的模腔202。一般情況下，壓板152A和152B相對移動，在模具200的模腔202中壓縮材料52。 在操作過程中，壓板152A和152B從相反方向施加壓カ將材料52限制在模腔202內。壓板 152A和152B中的一個或兩個可以與機械致動特征(未顯示)連接，例如，氣動缸、液壓缸、 滾珠螺桿裝置等。因此，圖6A和6B所示，壓板152A和152B中的一個或兩個可以在Z方向移動，使得模具200在用模具分型密封件194密封的模具分型線處打開，例如，向模具200 的模腔202插入或從中取出材料52。壓板152A和152B可與設備150的其他部件整體成型 (即永久連接)，或如圖6A和6B所示，壓板152A和152B可以是獨立的特征。換句話說，壓板152A和152B是專用的或是標準壓カ機的一部分，設備150的其他部件可添加到該標準壓カ機。壓板152A和152B分別連接到承梁巧4和夾板156B上。接著，承梁巧4連接到夾板156A上，而夾板156B連接到承梁頂出板162上。一般情況下，承梁巧4和承梁頂出板162 所起的作用是定義接收和容納設備150各種特征的空腔。例如，承梁IM定義浙青室178， 承梁頂出板162定義接收推桿164的空腔。承梁IM和承梁頂出板162可以在設備150的操作過程中保護各個特征不受到壓板152A和152B的壓カ的影響。夾板156A放置在承梁巧4和墊板158中間。相比而言，夾板156B放置在承梁頂出板162和絕熱板160B的中間。夾板156A和156B所起的作用是夾住設備150不同的特征以防止其變得不對齊。設備150包含放置在夾板158A和絕熱板160A中間的墊板158。墊板158定義接收和容納設備150各個特征的空腔。例如，墊板110定義浙青室178，以及接收真空線控制缸166、真空線控制桿168、氣體進料控制缸172和氣體控制桿174的空腔。墊板158可以在設備150的操作過程中保護不同特征不受到壓板152A和152B的壓カ的影響。模具200放置在絕熱板160A和160B中間。絕熱板160A和160B可以限制從模具 200的熱轉移，例如，有助于模具200在浙青致密化期間保留熱量。因此，在一些實施例中， 絕熱板160A和160B可由低熱導材料制成。為了進一歩限制從模具200的熱轉移，如圖6A 和6B所示，在一些實施例中，可以為模具200和設備150的其他特征之間延伸的連接線提供絕熱密封184。絕熱密封184可以阻止熱量通過絕熱板160A和160B的開ロ處轉移。與模具M (圖2)類似，模具200定義ー個或多個模腔202以接收材料52，利用設備150將其壓縮和浙青致密化。模具200可以由軟模具材料，例如，聚酯或環氧聚合物制成。 另外，模具200也可以由硬模具材料，例如，鑄造或機加工的鋁、鎳、鋼、鈦等制成。模具200 定義不同的通道來為模腔200傳送浙青、排出氣體、抽真空、接收加壓氣體等。在ー個或多個浙青致密化循環中，至少在部分致密化循環期間可以在模腔202中制造真空壓カ。因此，為了在模腔202中制造真空壓カ，設備150包含可連接真空源的真空硬件。在圖6A和6B的示例中，真空硬件由真空線控制缸166、真空線控制桿168和真空端 ロ 170提供。真空端ロ 170提供與真空源186的連接點，其可操作以在包含材料52的模具 200，具體是模腔202，內制造真空。真空線控制缸166連接到真空線控制桿168上。在操作中，如圖6A和6B所示，在Z方向可控地致動真空線控制桿168，以選擇性地使真空源186與
14模腔202進行壓カ連通，從而控制在模腔202內制造的真空壓力。在不同的實施例中，真空線控制缸166可以是單作用缸，其采用可壓縮流體在ー個方向上致動真空線控制桿168以及使用彈簧使真空線控制桿168返回原來的位置，或者雙作用缸，其采用可壓縮流體延伸和返回真空線控制桿168。在根據本發明的不同組件中，可以使用不同的真空控制硬件，本發明并不局限于這一方面。例如，在VPI循環中，經常可以對模腔202內的浙青施加加壓氣體來幫助致密化材料52。為控制加壓氣體，設備150可包含連接到加壓氣源的氣體控制硬件。在圖6A的示例中，例如，設備150包含氣體進料控制缸172、氣體控制桿174和氣體端ロ 176。氣體端ロ 176將提供加壓氣體的連接氣源188與包含材料52的模腔202連接。在不同的實施例中， 氣源188可以是加壓惰性氣源，包含但不限于氮、氦、氬、ニ氧化碳等。氣體控制桿174連接氣體進料控制缸172。在操作中，如圖6A和6B所示，在Z方向可控地致動氣體控制桿174， 以選擇性地使氣源188與模腔202流體連通，從而控制在模腔202內制造的氣體壓力。在不同的實施例中，如上文參考真空線控制缸166所述，氣體進料控制缸172可以是單作用缸或者雙作用缸。此外，類似于參考設備150的真空控制硬件所述，在根據本發明的不同組件中，可以使用不同特征來控制加壓氣體向模腔202的流動，本發明并不局限于這一方面。在圖6A和6B的示例中，熔融浙青從浙青室178通過浙青端ロ 204提供給模腔202。 浙青室178熱連接到加熱源190。在設備150的操作過程中，部分固態浙青物質可插入浙青室178。之后加熱源190可將部分固態浙青在浙青室178中熔融成可流動的狀態。在一些實施例中，加熱源190可包含通過熱連接到浙青室178的管子傳遞的熱轉移劑(例如，類似熱交換器)。熱轉移劑可在設備150中被加熱或被傳送到設備150中(例如，從外部的鍋爐、熱交換器等)。在其他的實施例中，加熱源190可以是燃燒爐、電阻加熱器、射頻(例如，微波)加熱器或類似設備。在另外的其他的實施例中，加熱源190可以是對流加熱源、 電磁感應加熱源或紅外線加熱源。為了控制向模腔202的浙青傳送，設備150還可以包含浙青流量控制特征。例如， 設備150包含浙青進料缸180和浙青進料柱塞181。浙青進料缸180與浙青進料柱塞181 機械地連接。在操作中，如圖6A和6B所示，浙青進料缸180在Z方向可控地驅動浙青進料柱塞181進入浙青室178。以這種方式，浙青進料柱塞181可以迫使浙青進料室178中的熔融浙青通過浙青端ロ 204進入模腔202中。在不同的實施例中，浙青進料缸180可以是氣動缸、液壓缸、滾珠螺桿裝置等。此外，浙青進料柱塞181可以是活塞、柱塞或另外的設備， 以用于對浙青室178內的熔融浙青施加機械壓縮力。在設備150上處理和浙青致密化材料52后，可以釋放壓板152A和152B中的壓カ 以便打開模具200。在一些實施例中，在打開模具提取致密化的材料之前，可以將模具200 從設備150中取出。在其他的實施例中，可以打開模具200的一部分而模具200仍留在設備150中。對于圖6A和6B中的示例而言，可以在設備150中將模具200沿被分型密封件 194密封的分型線打開。在這些實施例中，為了便于取出致密化的材料，設備150可包含推桿164。如圖6A和6B所示，在Z方向可控地驅動推桿164以幫助將致密化的材料從模具 200中頂出。如上參考圖2中的設備50所述，在操作中，設備200可用于在模腔202中壓縮材料52并在模具200的同一個模腔202中利用VPI循環致密化壓縮后的材料。例如，在操作過程中，可將材料52插入模具200的模腔202中，并將固態浙青插入浙青室178中。壓板 152A和152B可以彼此相對移動，壓縮模腔202中的材料52并密封模具200進行浙青致密化。加熱源190可將浙青室178中的固態浙青熔融成可流動的狀態。在VPI循環中，通過控制真空線控制缸166來驅動真空線控制桿168可以使模腔202內的壓カ降低至真空。驅動真空線控制桿168吋，可將模腔202設置成通過真空ロ 170與真空源186壓カ連通。然后， 浙青進料缸180可將浙青進料柱塞181推進浙青室178，迫使熔融浙青通過浙青端ロ 204進入模腔202。模腔202用浙青充滿后，真空線控制缸166可控制真空線控制桿168關閉真空端ロ 170。之后，氣體進料控制缸172可控制氣體控制桿174打開氣體端ロ 176，使容納材料52的模腔202與加壓氣源188連通。以這種方式，材料52可以在模腔202中被壓縮，并且之后在設備150的同一個模腔202中利用VPI循環被浙青致密化。如上所述，設備150可包含用于處理碳基纖維材料并浙青致密化處理后的材料的特征。如上所示，設備150可以是與標準壓板152A和152B—起使用而配置的模塊組件。也就是說，設備150可包含構造成用于組裝和插入壓板之間來形成設備150的不同模塊部件。 然而，在不同的實施例中，設備150可包含不同的模塊部件或非模塊部件，以補充或代替參考圖6A和6B所說明和描述的部件。因此，雖然設備150包含各種示例部件，但不同的配置也是可行的。作為在根據本發明的設備中可包含的附加或不同特征的實施例，圖6A和6B說明了設備150可包含的示例熱管理特征，用于控制模具200的溫度，特別是控制模腔202內的材料52和/或浙青的溫度。由于浙青在常溫下一般是固態，所以包含熱管理特征的設備可以幫助熔化浙青或使浙青保持可流動的狀態，直到浙青適當地滲透到材料52的各個孔中。在圖6A和6B的示例中，設備150包含加熱管192和冷卻管194分別用于加熱和冷卻模具200。加熱管192可至少延伸通過一部分模具200內與模具200發生熱連通。加熱管192可定義構造成與熱交換劑進行流體連通的導管。熱交換劑可包含但不限于蒸汽、 機油、熱傳遞液等。加熱管192可鑄造或機加工為模具200，或者可插入模具200定義的孔中。加熱管192可由熱導材料形成，包含但不限于銅、鋁和其合金。在操作過程中，熱轉移劑可在設備150中加熱或在設備150的外部(例如，在爐子或換熱器中)加熱并通過加熱管192傳送。熱轉移劑的熱量可通過加熱管192、模具200和材料52傳導。按照這種方式， 加熱管192可傳導地加熱模具200，包括模腔202內的材料52和浙青。在不同的實施例中， 在設備150的浙青致密化循環期間，可將熱轉移劑加熱到大于110攝氏度的溫度，例如，加熱到約285攝氏度到約330攝氏度之間的溫度。在設備150上完成ー個或多個浙青致密化循環后，液體浙青可在材料52內飽和并且多余的浙青可留在模腔202中。為了便于簡單快速地從設備150中取出致密化的材料， 可在設備150上提供冷卻管194來冷卻并固化熔融的浙青。在一些實施例中，致密化后，通過在加熱管192中傳送比較涼的熱轉移劑，可將加熱管192用作冷卻管。然而，在其他的實施例中，設備150包含獨立的冷卻管194。與含有共用的加熱和冷卻管的設備150相比，獨立的加熱管192和冷卻管194通過減少熱循環次數，使得設備150運行更加快速。冷卻管194與加熱管192類似之處在干，冷卻管194可至少延伸通過一部分模具 200內與模具200發生熱交換。冷卻管194可定義構造成與熱轉移劑進行流體連通的孔，該熱轉移劑可以是與通過熱器管192接收的相同的或不同的熱轉移劑。在操作過程中，熱轉移劑可通過冷卻管194傳送。因此，冷卻管194可傳導地冷卻模具，包括模腔202內含有的材料52和浙青。參照圖2-6已經描述了不同示例的材料結構、模具和設備。圖7是說明利用配置為壓縮、穿插和浙青致密化材料的設備處理材料的示例方法的流程圖。為了便于說明，將圖 7的方法描述為利用設備50(圖幻實施。然而，在其他的實施例中，圖7的方法可以用設備 150(圖6A和6B)或如本文所述的具有不同配置的設備實施。如圖7所示，碳纖維材料52可插入致密化設備50的模腔55中Q50)，壓縮模塊 58在模腔55中壓縮材料52 (252)，穿插模塊62可收縮地伸出ー個或多個針到至少一部分模腔55中，從而在模腔內纏繞材料52不同的纖維(254)。在模腔55中適當地處理材料52 后，設備50可再通過VPI模塊60進行ー個或多個VPI循環來浙青致密化模具M的模腔55 內的材料52 (256)。如圖7所示，材料52可插入浙青致密化設備50的模具M的模腔55內(250)。如上所述，模具M可以從浙青致密化設備50中取出或者與浙青致密化設備50永久形成在一起。在一些實施例中，模腔55的形狀大致相應于由材料52形成的成品部件的形狀。例如， 模腔陽可具有大致相應于制動轉子盤36或制動定子盤38 (圖1)的形狀。模具M可由兩個或更多可分離的部分形成，這些部分可以分開以將材料52插入模腔55中。材料52可以是碳基纖維材料、碳基非纖維材料或非碳基材料。在一些實施例中，材料52可預碳化。在一些附加的實施例中，材料52可被處理成多個分開的片段，這些片段可以分別插入模腔55 中。在還有ー些另外的實施例中，在將材料52插入模腔55前，可將模具M預熱到，例如， 大于110攝氏度的溫度。材料52在被插入模腔55Q50)后，將其在模腔55內進行壓縮(25 。壓縮模塊 58可以對材料52施加機械カ以壓縮模腔55內的材料。在一些實施例中，壓縮模塊58可包含壓板或壓縮模腔55內的材料52的其他特征，例如，通過向著模具底面擠壓材料52。在一些實施例中，模具M可包含響應于來自壓縮模塊58的壓カ而致動的ー個或多個特征。雖然壓縮模塊58可在模具M內將材料52壓縮到任何合適的密度，在一些實施例中，壓縮模塊58可將材料52壓縮到約17體積百分比材料和約30體積百分比材料之間的纖維體積密/又。任選地，可通過穿插模塊62在模腔55內穿插材料52QM)。在穿插操作過程中， 穿插模塊62的一個或多個針可收縮地延伸到至少一部分模腔55以及模腔55內的材料52 中(254)。在一些實施例中，一個或多個針可包含鉤狀遠端，當一個或多個針插入材料52時遠端鉤住材料52不同的纖維。針262可在模腔55內纏繞材料52不同的纖維。纏繞一起的纖維可防止在隨后的浙青致密化期間的分離。盡管圖7的示例中在材料52被壓縮后包含穿插材料52 (252)，但在模腔55內壓縮材料52之前，也可以對材料52進行額外的或者替換的穿插。此外，如上所述，在一些實施例中，不在模腔55內穿插材料52。在壓縮模腔55內的材料52(25 和穿插模腔55內的材料52^54)后，可利用VPI 循環在模腔55內用浙青將材料52致密化(256)。在VPI循環中，可將模具M的模腔55降低至真空壓カ來排空材料52的孔。然后，可以用熔融浙青充滿模腔55。充滿后，可以利用一種氣體例如，惰性氮氣對模腔55內的浙青加壓。按照這種方式，設備50可用于通過ー個或多個VPI循環來致密化材料。總體而言，在圖7的示例中，材料被壓縮、穿插和用浙青致密化都可以在設備的模腔55中進行。通過在同一個設備中處理材料，然后浙青致密化處理后的材料，圖7的技術可使設備50能處理在其他情況下不可以被制成預成形品、然后在単獨的設備上浙青致密化的材料。例如，在一些實施例中，設備50可用于處理預碳化的碳纖維材料或浙青纖維材料，這些材料沒有足夠的機械強度，不能制成預成形品。在一些實施例中，使用這些材料可以省去碳化處理，例如，在制造預成形品過程中進行的碳化步驟，碳化處理在其他情況下亦可以在制造C-C復合材料部件的過程中進行。上文已經描述了各種實施例。這些和其他的實施例都在隨后的權利要求的范圍內。
權利要求
1.ー種設備，包括模具，其定義構造成接收要被致密化的材料的模腔，其中模腔被構造為從第一體積被調整到小于第一體積的第二體積來壓縮模腔內的材料；氣源，其被構造為在模腔中施加氣體壓力，以迫使浙青進入模腔內的材料來致密化該材料；以及真空源，其被構造為至少在施加氣體壓力之前在模腔內制造真空壓力。
2.權利要求1的設備，其中模具定義了頂面、底面和定義在頂面和底面之間的模腔，并且其中頂面構造為致動以將模腔的體積從第一體積減小至第二體積。
3.權利要求1的設備，還包括壓カ機，其被構造為調整模腔的體積，其中所述壓カ機被構造為將模腔內的材料壓縮到約15體積百分比材料到約50體積百分比材料之間。
4.權利要求3的設備，其中所述壓カ機被構造為將模腔內的材料壓縮到約17體積百分比材料到約30體積百分比材料之間。
5.權利要求4的設備，其中所述壓カ機包括液壓活塞，該活塞被構造為致動模具的表面來壓縮模腔內的材料。
6.權利要求1的設備，其中所述氣源被構造為在模腔中施加約10磅每平方英寸(psi) 到約IOOOpsi之間的氣體壓力。
7.權利要求6的設備，其中所述真空源被構造為在模腔中施加約1托到約100托之間的真空壓力。
8.ー種方法，包括將材料插入設備的模腔中，其中所述設備被構造為利用真空壓カ滲透循環來致密化在模腔中的材料；通過將模腔從第一體積調整到小于第一體積的第二體積來壓縮在模腔內的材料；以及利用真空壓カ滲透循環在模腔中浙青致密化壓縮后的材料。
9.權利要求8的方法，其中要被致密化的材料包括碳化聚丙烯腈纖維或浙青纖維中的至少ー種。
10.權利要求8的方法，其中材料的壓縮包括將材料壓縮至約17體積百分比材料到約 30體積百分比材料之間。
全文摘要
本發明涉及用于碳纖維處理和瀝青致密化的設備。瀝青致密化設備可用于形成碳-碳復合材料。該設備可用于壓縮碳纖維材料，以及之后，瀝青致密化該碳纖維材料。碳纖維材料的壓縮和瀝青致密化可以在瀝青致密化設備的相同模腔內進行。在一個實施例中，設備可包括定義構造成接收要被致密化的材料的模腔的模具。模腔被配置為從第一體積調整到小于第一體積的第二體積來壓縮膜腔內的材料。示例設備還可以包括構造為在模腔中施加氣體壓力以迫使瀝青進入模腔內的材料中而使材料致密化的氣源，以及構造為至少在施加氣體壓力之前在模腔內制造真空壓力的真空源。
文檔編號B29C70/44GK102582090SQ20111046314
公開日2012年7月18日 申請日期2011年12月16日 優先權日2010年12月17日
發明者D·M·賴特, M·C·詹姆斯, M·L·拉富里斯特, N·默迪, R·L·克萊恩丁斯特 申請人:霍尼韋爾國際公司