[发明专利]具有贯穿固定数目层的Z-纤维的层状纤维结构

说明书

本发明涉及形成纤维结构的领域。更具体地说，本发明涉及用在毗邻的纤维层之间穿过的Z-纤维束连接许多纤维层。

多年来已经知道形成用于复合材料结构中的纤维料坯结构的针刺法。C arlson等人的美国专利3772115号介绍一种可同时或在一系列针刺步骤中将若干纤维层针刺在一起的方法。Carlson等人的针刺法包括将许多刺针反复插入到多层的纤维层中。刺针使各层中的纤维移位、引起各层附着而成为相连接的结构。如果最后的结构太厚以致针不能一次穿透所有的层的话，可以通过在一系列的针刺步骤中添加层的办法而逐渐形成所说的结构。纤维层包含碳纤维或石墨纤维，或它们的前身。按照该方法形成的纤维料坯结构可以通过将碳基质沉积在纤维料坯结构中使纤维结合在一起从而进一步被加工成为碳/碳复合材料。C arlson等人的方法可被用于形成包括碳/碳刹车片的各种复合结构。

在1979年8月1日出版的英国专利说明书1549687号中公开了一种类似的方法。该文献还公开一种形成碳/碳复合材料的方法。纤维层可以由在一系列针刺步骤中被针刺在一起的氧化的聚丙烯腈布组成。在一实施例中，该方法被用于形成碳刹车片。

更近代的方法被公开在Pierre Olry的美国专利4790052号中。目的是生产具有高度均匀性的纤维料坯结构。这主要是通过在整个物件厚度上以“均匀密度”的针刺将重叠层针刺在一起而实现的。贯穿的初始深度是根据被针穿透的层数，例如约20层来确定的。Olry等人的方法企图通过在每次添加新层时降低纤维结构使之离刺针有一段相当于一被刺层厚度的间距，从而在整个的纤维结构形成期间能保持此深度不变。

Lawton等人的美国专利4955123号(颁布日1990年9月11日)和PCT出版物WO92/04492(公开日1992年3月19日)公开一种通过一起针刺环状物扇形区而形成刹车片的方法。在每一次添加新层前纤维结构被降低一针刺层的厚度。Smith等人的美国专利5338320号(颁布日为1995年2月14日，系美国专利4955123号的部分继续)公开一种方法，其中在针刺过程中料坯的外层是用人造纤维“浓化的”。在Smith等人的方法中对外层进行浓化明显地增加了外层的机械强度并且提高了制成品刹车盘的耐磨耗性。

在此纤维料坯工艺中，通过针刺法产生的移位纤维被称为“Z-纤维”，因为它们通常与包含纤维料坯结构的各层相垂直。在整个刹车盘中的Z-纤维分布在飞机的减速或制动时对盘的耐磨寿命和操作性能具有意义深远的作用。

因此，具有预定的Z-纤维分布的纤维结构和形成具有预定Z-纤维分布的纤维结构的方法是符合需要的。

根据本发明的一个方面，提供了一种纤维结构，包含：

多重叠加的纤维层，该多重叠加的纤维层包括上组纤维层和与上组纤维层相毗邻的下组纤维层；和，

连接所说的多重叠加的纤维层的多重Z-纤维束，在上组纤维层中的每一纤维层具有源于该纤维层的部分多重Z-纤维束，此部分多重Z-纤维束穿过处于该纤维层之下的若干纤维层而不穿过处于该纤维层之下的所有的纤维层，在第一部分中纤维层数目是不变的，而在下组纤维层中的每一纤维层具有源于该纤维层的部分多重Z-纤维束，此部分多重Z-纤维穿过处于该纤维层之下的所有的纤维层。

根据本发明的另一方面，提供一种形成纤维结构的方法，该方法包括以下步骤：

在一系列针刺过程中形成连接多重叠加纤维层的多重Z-纤维束，多重纤维层包括一组上纤维层和一组与上组纤维层相毗邻的下纤维层，在上组纤维层中的每一纤维层具有源于该纤维层的部分多重Z-纤维束，此部分多重Z-纤维束穿过处于该纤维层之下的若干纤维层而不穿过处于该纤维层之下的所有的纤维层，从下纤维层到上纤维层纤维层数目是不变的，并且下组纤维层中的每一纤维层具有源于该纤维层并穿过处于该纤维层之下的所有的纤维层的部分多重Z-纤维束。

图1为适用于本发明的针刺设备的一般性的示意布置图。

图2为使用图1设备的针刺法的详图。

图3为图2针刺过程中产生的Z-纤维束的详图。

图4A描述测定最小纤维转移距离方法的第一部分。

图4B描述测定最小纤维转移距离方法的第二部分。

图5A描述根据本发明的一个方面在一系列针刺过程中的第一遍针刺。

图5B描述根据本发明的一个方面在一系列针刺过程中的第二遍针刺。

图5C描述根据本发明的一个方面在一系列针刺过程中的第三遍针刺。

图5D描述根据本发明的一个方面在一系列针刺过程中的第四遍针刺。