[发明专利]制造包含陶瓷粒子的碳/碳型复合材料部件用的纤维预成型件的制造方法和由此获得的产品

说明书

技术领域

本发明涉及制造包含陶瓷粒子的碳/碳型复合材料部件用的纤维预成型件的制造方法和由此获得的产品。 

发明背景和目的 

本发明涉及由碳/碳(C/C)复合材料制造部件用的纤维预成型件的制造，所述碳/碳复合材料即含有碳纤维增强材料和主要由碳制成的基体的复合材料。 

本发明的一个应用领域是由C/C复合材料制成的摩擦部件，更具体地说，是飞机制动盘。 

为了改进由C/C复合材料制成的制动盘的耐磨性，美国专利No.6,376,431考虑在碳纤维增强材料内掺入陶瓷，更具体地说，碳化硅(SiC)。为此，用含有SiO₂前体的溶胶-凝胶型溶液浸渍增强材料或预成型件，该溶液在热处理后留下在整个预成型件中基本均匀分布的SiC粒子。由此引入的SiC的重量百分比小：不超过复合材料重量的1％。 

这种已知方法要求在制成预成型件后处理它们。处理可以在多个阶段中进行(在浸渍之前和之后)，这些阶段冗长昂贵且需要小心实施以免使被浸渍的预成型件变形(该被浸渍的预成型件此时既重又软)。此外，不可能以有控制的方式改变SiC粒子在预成型件内的浓度。申请人还观察到，SiC粒子的存在可以通过使构成增强材料的碳纤维弱化来影响复合材料的机械性能。在制动盘的经受机械应力的那些部位，例如传送制动转矩的盘心，特别是在需要传送非常高的转矩级别的飞机制动器中，保持良好的机械性能是特别重要的。制动盘心的任何弱化都是不可以接受的。 

本发明的目的是在避免上述缺点的同时在复合材料部件的纤维预成型件中掺入陶瓷粒子。 

发明内容

根据本发明，通过复合材料部件的纤维预成型件的制造方法，实现该目的，该方法包括： 

a)在能够使离散陶瓷粒子分散体留在纤维织物上的溶液或悬浮液中浸渍碳纤维或碳前体纤维的一个或多个二维纤维织物，和 

b)通过叠加由碳纤维或碳前体纤维的二维织物构成的层片并将层片结合在一起来制造纤维预成型件，至少一些层片至少部分由在步骤a)中预先浸渍的二维织物构成。 

因此，该方法的不寻常之处在于，通过在形成预成型件之前浸渍用于制造预成型件的二维纤维织物，获得陶瓷粒子在预成型件层片中的分散(或者说“散布”)。 

可以在叠加纤维织物层片的位置的上游，在纤维织物上进行这种浸渍。如此，这种浸渍步骤无需大的修改就可以结合到预成型件制造方法中。 

此外，浸渍可以容易地以选择性方式进行以实现陶瓷粒子在预成型件中的所需浓度，或限制陶瓷粒子在预成型件某些区域中的存在。 

本发明的方法中二维纤维织物的浸渍可以通过使织物连续穿过浴(bath)，或通过将溶液或悬浮液喷到织物上来实施。 

可以使用含陶瓷前体的溶胶-凝胶溶液，在随后的热处理之后获得分散陶瓷粒子的存在。特别地，可以使用在干燥后留下氧化物粒子分散体的溶胶-凝胶溶液，所述氧化物粒子特别是例如耐火氧化物粒子，尤其是TiO₂、ZrO₂、HfO₂和SiO₂。分布在纤维织物中的氧化物的量优选为纤维织物的重量的0.1％至20％，特别优选为1％至15％。氧化物粒子随后可以通过在热处理下与纤维织物中纤维的碳反应而转化成耐火碳化物粒子。热处理优选在惰性气氛中在1400℃至1750℃进行。 

在一种变化形式中，可以使用平均直径优选不超过100纳米(nm)或甚至50纳米的氧化物粒子的胶态悬浮液，所述氧化物特别是TiO₂、ZrO₂、HfO₂和SiO₂。 

当预成型体中不需要存在SiC粒子时，可以使用除留下SiO₂粒子 分散体的那些溶液以外的溶胶-凝胶溶液。 

有利地，为了制造制动器预成型件，构成机械传送制动转矩的那部分制动盘的纤维增强材料用的那部分预成型件是由没有用能够在织物中留下陶瓷粒子分散体的溶液或悬浮液浸渍的二维织物层片制成的。 

在另一方面，本发明提供了可由此获得的制动盘预成型件。也就是说，预成型件由碳纤维制成，包括分散在预成型件中的耐火陶瓷粒子，其中构成机械传送制动转矩的那部分制动盘的纤维增强材料用的那部分预成型件不含或几乎不含陶瓷粒子。 

在又一方面，本发明还提供了C/C复合材料的制动盘，其中通过如上定义的制造制动盘预成型件的方法，或由如上定义的制动盘预成型件获得纤维增强材料。