[发明专利]对多孔产品进行致密化的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及对多孔产品进行致密化。

背景技术

在摩擦材料的领域，使用由多孔材料制成的基质来制造摩擦构件是众所周知的，所述摩擦构件例如摩擦制动盘。一般地，这种摩擦构件的制造开始于多孔的、通常是纤维构成的预成型件的构造，例如环形预成型件。

所述的环形预成型件可以通过使用几种不同的已知方法来构造。例如，可以将碳纤维织物层缝制在一起，然后环形预成型件可以从堆叠材料中切割而成。所述的层可以例如由气流成网纤维(airlaid fibers)或机织纤维制成。还例如，可以通过将碳纤维编织为需要的形状而形成接近最终形状的预成型件。某些碳纤维织物是已知的，其具有有助于以螺旋形式布置织物的编织方法。在此处的上下文中，“接近最终”表示形成具有接近最终产品的所需形状的形式的结构，所述最终产品例如环形制动盘。

氧化聚丙烯腈(“PAN”)纤维或沥青基纤维是在这种类型的应用中所使用的起始纤维的公知实例。随后，可以在高温处理步骤中对这些纤维进行碳化。在另一常规方法中，起始纤维是通过使用树脂或沥青而形成的，接着使用例如氮气的反应气体对产生的大块物质进行熟化。然后，对这样熟化的大块物质进行碳化以获得半刚性的预成型件。

无论如何，对产生的多孔预成型件(特别是具有碳材料)进行进一步的致密化都是需要的，以获得需要的摩擦和机械性质。

化学气相渗透(“CVI”)是用于获得碳/碳(在本领域中有时也称为“C/C”)合成材料的常规致密化技术。典型地，CVI使用包含碳氢化合物的气体以对多孔预成型件进行渗透。然后，CVI气体在高温下裂化，以在预成型件的纤维结构上留下碳覆盖层，从而增大产品的密度。

典型地，使用气体前体的CVI需要几百小时的处理，以获得具有所需密度特征和机械性质的碳/碳结构。例如，典型的CVI工序包括进行例如超过大约300-500小时或者更长时间的第一气体渗透周期。

然而，常规的CVI常常在预成型件的内部部分充分致密化之前就导致了预成型件的表面孔隙的快速阻塞。为了“重新打开”表面孔隙(以使得气体前体能够继续到达产品的内部部分)，必须进行中间加工步骤。一般而言，这种中间加工(使用已知方法，例如铣削)移除具有碳阻塞毛孔的预成型件的表面层以使得预成型件的开放毛孔暴露出来，从而使得碳氢化合物气体能够再次渗透预成型件结构。考虑到在典型的致密化过程中要对几百个预成型件进行致密化，中间加工步骤会导致总的CVI致密化工序增加多达48小时的时间。

一旦局部致密化了的产品的中间加工得以完成，就进行第二CVI工序以对预成型件的重新打开的表面孔隙进行利用，该第二CVI工序可以持续例如另外的300-500小时或者更长时间。通常这就完成了致密化工序。

对多孔预成型件进行致密化的另一方法是使用液体来替代气体碳氢化合物前体。在本领域中这种致密化的方法有时也称为“薄膜沸腾”或“快速致密化”。

例如，用于致密化的液体前体的使用在公开号为4,472,454、5,389,152、5,397,595、5,733,611、5,547,717、5,981,002以及6,726,962的美国专利中进行了描述。在允许合并以作参考的所有地区和管辖区域中，将这些文件中的每一个都完整地合并于此以作参考。

薄膜沸腾致密化通常涉及将多孔预成型件浸入保持在反应腔室中的液体中，特别是浸入在液体碳氢化合物中，从而使得液体基本上完全渗透预成型件的毛孔和间隙。然后，浸入的预成型件被感应(inductively)加热至高于液体碳氢化合物的分解温度的温度(典型地为1000℃或更高)。更加特别地，接近感应加热的预成型件结构的液体碳氢化合物在预成型件孔隙之内分离为各种气相组分(gas phasespecies)。气相组分的进一步的热分解导致了在多孔材料的开放区域中在内表面上形成热解碳(pyrolitic carbon)。

液体碳氢化合物前体可以是环戊烷、环己烷、1-己烯、汽油、甲苯、甲基环己烷、正己烷、煤油、水脱硫煤油、苯或它们的组合物。此外，液体前体可以包含有机硅烷，例如甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基二氯硅烷或三-n-甲基氨基硅烷。在某些情况下，液体前体可以是有机硅烷和碳氢化合物的混合物。

液体前体可以通过已知方式来制备，以获得组合分解产品。例如，分解产品可以包括碳化硅和氮化硅，或者碳/碳化硅或碳/氮化硅。