[发明专利]用于制造三维环状纤维结构的方法

说明书

技术领域

本发明涉及制造三维环状纤维结构。

本发明的特定领域是制造厚的环状纤维预成型件(preform)，所述预成型件用于构成由复合材料制成的环状部件的纤维增强件，特别是制动器盘(brake disk)，例如用于飞机制动器的由碳/碳(C/C)材料制成的盘。

背景技术

用于制造环状纤维预成型件的一种通常的工艺包括将二维层重叠并结合在一起以构成板，而预成型件是从所述板上切割下来的。如美国专利No.4 790 052和No.5 792 715所述，这种工艺所具有的明显缺点是浪费大量的材料，当纤维相对昂贵的时候这种缺点尤其突出，对于碳纤维或者碳前驱体纤维来说正是这种情况。

已经提出了各种提议以避免这种缺点并直接获得一种纤维结构，其形状尽可能地接近期望的环状形状。于是，在美国专利No.6 009 604和No.5 662 855中提出了通过将由编织物(braid)形成的层重叠并结合在一起来制造预成型件，所述编织物被缠绕为平整的，以形成螺旋。美国专利No.6 363 593号和No.6 367 130提出使用缠绕为重叠的圆形(turn)的螺旋布，所述圆形被结合在一起。

这些技术需要制造纤维织物(编织物或螺旋布)，所述纤维织物是纤维的纱或落纤(tow)和待制造的环状预成型件之间的中间产品。

为了避免这种中间步骤，专利文件WO 98/49382提出在环状支撑件上形成纤维的无序体(disordered mass)，并且通过缝纫(needling)将所述纤维结合在一起。不过，该文件没有记载实际上需要用来获得至少在均匀性方面令人满意的环状预成型件的手段，所述环状预成型件用在对均匀性的要求非常高的特定应用场合，如涉及机械性质的质量控制的要求，如特别用在所述预成型件用作飞机制动器盘预成型件的时候。

美国专利文件2005/0172465提出通过使短纤维在具有渐进缝纫的旋转环状转盘上进行规则和受控的布设来形成环状预成型件。这样可以获得均匀的预成型件，但是需要付出经历获得短纤维的中间步骤的代价。

发明内容

在本发明的一个方面，本发明将提供一种使环状纤维结构能够由可在市场上获得的纱或落纤直接制成的方法，从而限制纺织操作以尽可能地降低制造成本。

这个目的通过一种方法实现，所述方法包括以下步骤：

提供由基本单向的单元制成的第一纤维片；

通过在同轴的外圆环和内圆环之间交替地在一个方向和在与之相反的方向中放置第一纤维片而形成横向的第一环状片，所述片由所述环支撑；

提供由基本单向的单元制成的第二纤维片；

通过使所述第二纤维片布设在所述外环和内环之间的圆周方向上形成圆周向的第二环状片；

使横向环状片和圆周向环状片彼此结合；以及

驱动横向环状片和圆周向环状片绕外环和内环的轴线旋转，从而执行多个完整的回转以从所述基本单向的单元中直接获得厚的环状纤维结构，在所述环状纤维结构中，由横向片制成的层与由圆周向片制成的层交替出现并被结合在一起。

第一纤维片和第二纤维片可以由如下材料构成：纱、或者落纤、或者通过散布落纤获得的梳条(sliver)、或者多个并列的这样的梳条。因此可以直接从纱或落纤获得环状纤维结构，而几乎没有浪费。

根据本发明的一个特征，第一纤维片在减小其在外环和内环之间的宽度的情况下放置，而圆周向片形成为具有在外环和内环之间减小的密度。有利地，横向环状片的放置方式使它沿任何一个圆周都具有基本恒定的密度。由于第一纤维片朝内环方向变窄所引起的横向片的密度的增大被圆周向片的密度的减小所补偿，于是，可以获得基本匀质的纤维结构。

根据所述方法的另一个特征，第一纤维片的放置方式使横向环状片的纤维单元在横向环状片的中间圆周与圆周方向的切线形成45°到75°范围内的角。优选地，该角度大约为60°，从而产生一包括圆周片的纤维结构，其中纤维单元在三个方向交叉，三个方向之间形成大约60°的角度。

有利地，环状横向片通过由所述环支承的桩子(peg)支持在外环和内环上。

同样有利地，外环和内环驱动横向环状片和圆周向环状片旋转。

根据所述方法的另一特征，横向环状片和圆周向环状片在一水平环状支撑件上形成，所述水平环状支撑件置于外环和内环之间，并且在环状纤维结构建立时，所述水平环状支撑件逐渐降低。在所述结构形成之后，它能够通过在环状支撑件以及外环和内环之间的相对竖直移动而脱离。