Способ изготовления заготовки из углеродного волокна для композиционных материалов

 

Способ изготовления предварительно отформованной заготовки из углеродного волокна, например, заготовки, которую используют для изготовления фрикционного диска, при котором поддающееся сжатию тело из углеродного волокна или исходного материала углеродного волокна прессуют в прессе до момента получения требуемой толщины, а затем обрабатывают специальными средствами, например, средством, включающий в себя зазубренные иглы и прошивочные иглы, или просто сшивающими нитками, которые проникают по существу на всю толщину тела, благодаря чему спрессованную и обработанную, таким образом, заготовку можно будет легко удалять из пресса в свободно стоящем и спрессованном состоянии. 22 з.п. ф-лы, 2 ил.

Настоящее изобретение относится к способу изготовления предварительно отформованной заготовки из углеродного волокна, например, заготовок, которые используют для последующего изготовления углеродных композиционных материалов, и в частности, для изготовления деталей, например, тормозных дисков из углеродного композиционного материала.

При изготовлении углеродных тормозных дисков методом химического осаждения в паровой фазе используется способ, который предусматривает предварительное прессование стопы слоев углеродного волокна в соответствующем зажимном приспособлении с последующей загрузкой отработанной, таким образом, стопы углеродных волокон в печь для химического осаждения в паровой фазе. Для соответствующей установки зажимного приспособления в печи требуется определенное время, а само это приспособление занимает полезную площадь печи, что является нежелательным. Одной из целей настоящего изобретения является создание улучшенного способа изготовления свободно стоящей предварительно отформованной из углеродного волокна заготовки, который не предусматривает использование упомянутого зажимного приспособления.

По одному из аспектов изобретения способ изготовления предварительно отформованной из углеродного волокна заготовки включает этап формования сжимаемого тела заготовки из углеродного волокна или из исходного материала углеродного волокна, этап создания игольчатого средства для прессования тела до требуемой толщины, этап прессования тела и этап последующей обработки спрессованного тела игольчатым средством, которое обеспечивает проникновение игл по существу на всю толщину спрессованного тела, благодаря чему становится возможным удалить из прессующего средства заготовку в свободно-стоящем и спрессованном ее состоянии.

Если для формования тела заготовки используется исходный материал углеродного волокна, тогда сопрессованное тело должно будет подвергаться карбонизации, чтобы легче было изготовить предварительно отформованную из углеродного волокна заготовку.

Рекомендуется использовать тело, состоящее из стопы как минимум 10, а лучше 20 слоев углеродного волокна или исходного материала углеродного волокна. Волокна в каждом слое могут иметь форму ткани или же могут иметь форму нетканной ткани. С другой стороны, волокна тела могут располагаться и не слоями, а каким-то иным образом. Например, волокна тела могут располагаться в виде трехмерного ряда произвольной или какой-то заданной ориентации.

В качестве углеродного волокна или исходного материала углеродного волокна можно использовать нетканный окисленный полиакрилонитрил (ПАН), например, в виде штапельных волокон и/или непрерывных нитей. Толщина сжимаемого тела может выбираться в зависимости от желаемой толщины конечного изделия.

Игольчатое средство может содержать зазубренные иглы, которые будут принудительно проникать практически на всю толщину спрессованного тела в процессе выполнения каждой из множества иглопрошивочных операций, чтобы дать возможность спрессованной и предварительно отформованной заготовки легко и просто покинуть пресс в свободно-стоящем и спрессованном состоянии.

В случае изготовления углеродных тормозных дисков для самолетов требуемая толщина заготовки может достигать как минимум 50 мм. Хотя способ прошивания с помощью игл индивидуальных слоев материала или частично агрегированных стоп слоев материалов уже раскрыт (см. например, патент США N 2012671), авторы настоящего изобретения предлагают способ изготовления полномасштабной (в плане толщины) предварительно отформованной заготовки, в соответствии с которым элементы, например, волокна или пучки волокон, пронизывают всю толщину заготовки с целью прочного связывания друг с другом всех слоев или волокон трехмерного не расположенного слоями ряда, что дает возможность образовать свободно-стоящую, т.е. самоподдерживающую конструкцию, которая в процессе последующей ее обработки, карбонизации и уплотнения на этапе химического осаждения в паровой фазе не требует использование какого-то зажимного приспособления для сохранения своей формы и размерных характеристик.

Процесс игольчатого прошивания может осуществляться без какого-либо поперечного перемещения тела относительно самих игл в интервале между операциями перфорирования, а следовательно, гарантируется, что в процессе выполнения каждой операции перфорирования иглы будут проникать в одних и тех же зонах ткани. Конечным результатом этого будет образование толстых пучков волокон, которые будут проходить по существу через всю толщину спрессованной заготовки.

Процесс обработки иглами может содержать две серии прошивочных (перфорирующих) операций, а само тело может перемещаться относительно игл в интервале между этими двумя сериями прошивочных операций, благодаря чему образуются два ряда толстых пучков волокон, каждый из которых проходит по существу через всю толщину предварительно отформованной заготовки. В интервале между двумя прошивочными операциями тело может менять свое положение на обратное, чтобы операция прошивания иглами тела осуществлялась с противоположных сторон тела. Поперечного относительного движения можно добиться за счет освобождения тела от сжатия прессом, чтобы тело могло переместиться относительно самого пресса. С другой стороны, существует возможность использовать элемент пресса, снабженный двумя сериями отверстий для игл, что дает возможность добиться относительного поперечного движения между телом и иглами в результате выполнения одной серии прошивочных операций с помощью игл, проходящих через одну серию отверстий для игл, с последующим перемещением игл относительно этого элемента пресса, чтобы выполнить вторую серию прошивочных операций, в течение которой иглы проходят через вторую серию отверстий для игл.

Способ по настоящему изобретению может также включать этап обработки тела иглами, которые расположены двумя рядами таким образом, чтобы один ряд этих игл входил в тело с одной его стороны, а другой ряд игл с противоположной стороны этого же тела. Два ряда игл можно расположить так, чтобы операции прошивки тела иглами происходили одновременно. Предпочтительно, чтобы иглы двух рядов перемещались по существу в одном направлении.

В качестве альтернативного варианта прошиванию пробивание тела с помощью зазубренных игл, этап обработки спрессованного тела игольчатым средством, иглы которого проникают по существу на всю толщину тела, может включать операцию, в процессе осуществления которой какой-то элемент углерода или предшественник углерода (например, с возможностью последующей карбонизацией) либо какой-то иной материал принудительно проникает по существу на всю толщину тела. Этот зтап обработки спрессованного тела с помощью игольчатого средства, иглы которого проникают по существу через всю толщину тела, может называться сшивающей операцией, в процессе выполнения которой упомянутый элемент принудительно последовательно проходит в чередующихся направлениях через всю толщину спрессованного тела, обычно с помощью иглы или другого приспособления, например, с помощью пневматического устройства прокидки элемента. Образуемый при этом рисунок сливающей операции может иметь круглую, линейную или зигзагообразную форму или же он может состоять из блокирующих или сметочных стежков.

В качестве упомянутого элемента можно использовать, например, непрерывную элементарную нить или штапельную пряжу, однако в любом случае элемент будет образован из углеродного или способного к карбонизации волокна, либо из другого типа волокна, например, двуокиси кремния или кремнийсодержащего карбида. Упомянутый элемент можно также изготовить из керамического материала.

Предпочтительно, чтобы упомянутый элемент был изготовлен из материала, который обладал бы повышенной стойкостью к каким-либо значительным ухудшениям своих основных свойств в случае воздействия на него температуры выше 700^oC, а лучше температуры выше 1000^oC.

Авторы изобретения полагают, что наилучшим элементом, в частности для использования в операциях сшивающего типа, будет пряжа, изготовленная из жгута углеродных волокон, т.е. жгута, который при сильном натяжении сперва разрывается с образованием тонких углеродных лент, а затем подвергается прядению с конечным образованием пряжи. Такие жгуты штапельной пряжи являются наиболее приемлемыми для последующей операции сшивания по сравнению с жгутом из обычного непрерывного волокна, поскольку они обладают более высокой изгибающей способностью и легче поддаются последующей обработке на текстильных машинах. Несмотря на наличие разрывов конечная пряжа демонтирует высокую прочность на растяжение и разрыв (обычно она равна 90 95% прочности исходного жгута).

Как правило, будет использоваться множество упомянутых элементов и еще более вероятно то, что множество таких элементов будет в принудительном порядке проходить по существу через всю толщину тела.

Настоящее изобретение также предлагает способ изготовления полномасштабной (по толщине) предварительно отформованной заготовки для углеродных тормозных дисков для самолетов, в которых один или более элементов проникают через всю толщину заготовки, чтобы прочно соединить вместе слои или волокна трехмерного ряда (в котором не образованы четко выраженные слои) с конечным изготовлением свободно-стоящей (т.е. самоподдерживающейся) конструкции, для которой при последующей ее обработке, карбонизации и упрочнения с помощью, например, химического осаждения в паровой фазе или с использованием смеси смола/уголь, не требуется дополнительное использование зажимного приспособления для удерживания ее формы и размерных характеристик.

Если тело содержит различные слои волокон, тогда по меньшей мере, какая-то часть этих слоев может содержать одиночный лист, а какая-то часть слоев может содержать множество частей исходного углерода или углеродного волокнистого материала. Предварительно отформованную заготовку, например, для диска или кольца, можно собрать из различных слоев, из которых по меньшей мере один, а факультативно все слои содержат множество частей, например, частей в форме сектора.

Ниже альтернативные способы по настоящему изобретению будут описываться только в качестве примера, а само описание будет сопровождаться ссылками на чертежи, на которых: фиг.1 вертикальный разрез игло-прошивающего пресса, который используется по одному из способов по настоящему изобретению; на фиг.2 перспективный вид предварительно отформованной заготовки перед моментом ее обработки по еще одному способу по настоящему изобретению.

Пресс содержит базовую плиту 10, которая с помощью подъемного механизма 11 может совершать вертикальное движение в интервале между нижней позицией (указанной на чертеже пунктиром линиями) и на которой устанавливается стопка 12 листов 14 ткани исходного материала, и верхней позицией (указанной на чертеже сплошными линиями), в которой происходит прессование стопки 12 напротив перфорированной съемной плиты 16. Над перфорированной съемной плитой 16 установлена с возможностью вертикального перемещения игольчатая плита 18, снабженная большим количеством выравненных в вертикальной плоскости зазубренных игл 19, которые свободно проходят через расположенные в плите 16 отверстия (не показаны). Для осуществления вертикального возвратно-поступательного движения игольчатой плиты 18 используется обычная силовая установка (не показана), которая заставляет иглы 19 проходить по существу через всю толщину стопы 12. Если базовая плита 10 изготовлена из стали или другого подобного же материала, тогда необходимо установить предел вертикального движения игл, чтобы они останавливались на небольшом расстоянии от поверхности базовой плиты. Кроме того, поверхность базовой плиты может быть изготовлена из податливого материала, чтобы дать возможность иглам полностью проходить через стопку и входить в податливый материал.

В качестве специфического примера сошлемся на вариант, когда для изготовления предварительно отформованной заготовки для углеродного тормозного диска использовали нетканный материала, полученный в результате прошивания с помощью игл жгутов окисленного полиакрилонитрила (ПАН) к основе окисленного полиакрилонитрида штапельного волокна. В данном случае 34 слоя вырезали в виде колец с внешним диаметром 431 мм и с внутренним диаметром 133 мм, которые затем укладывали стопой высотой от 180 до 203 мм и с возможностью последующего прессования этой многослойной стопы. Затем стопу прессовали между базовой плитой и съемной плитой пресса до момента образования толщины стопы в 43 мм, с помощью зазубренных игл, которые равномерно распределялись с плотностью 7750 штук на кв. метр, осуществляли 150 штамповочных операций. Затем опускали базовую плиту пресса, переворачивали стопу, повторно ее прессовали и выполняли еще 150 штамповочных операций, но уже с противоположной стороны. Подобную операцию повторяли для каждой стороны четыре (минимум) раза с использованием 100 штамповочных операций до момента полной блокировки конструкции. В общей сложности было выполнено 700 штамповочных операций. Теперь свободно стоящая заготовка имела толщину примерно в 43 мм и в этом ее состоянии можно было проводить операцию карбонизации. Процент волокон по объему в такой заготовке был равен примерно 30% В соответствии с описанным выше способом в течение выполнения одной операции происходило передвижение волокон с верхней к нижней поверхности многослойной стопы с помощью расположенных на иглах зазубрин. В ходе выполнения каждой штамповочной операции иглы проникали в ткань в одном и том же месте, а это, в свою очередь, гарантировало, что большое количество волокон будет смещаться через слои стопы именно в местах проникновения игл. Движение всей стопы исключалось благодаря тому, что стопа надежно удерживается между базовой и съемной плитами пресса.

За счет обработки стопы иглами с противоположных сторон достигается протягивание волокон с обеих поверхностей через предварительно отформованную заготовку с целью придания большей прочности конструкции всей заготовки, а повторные штамповочные операции в одном и том же месте гарантируют образование и наличие толстых пучков волокон по всей толщине стопы.

По второму варианту настоящего изобретения (см. фиг.2) многослойная углеродная предварительно отформованная заготовка для изготовления углеродного тормозного диска 20 содержит слои 21 из нетканного материала, полученного в результате пришивания с помощью игл жгутов окисленного ПАН к основе окисленного ПАН штапельного волокна. В данном случае 34 слоя 21 вырезали в виде колец с внешним диаметром 431 мм и с внутренним диаметром 133 мм, которые укладывали стопой высотой примерно от 180 до 203 мм и с конечным образованием прессуемой многослойной стопы колец. Полученную, таким образом, стопу прессовали между направляющими плитами статечной машины до толщины в 43 мм. Затем сшивали спрессованную стопу, причем в процессе выполнения операции сшивания кольцеобразная стопа вращалась вокруг своей основной оси 22 с конечным образованием множества простирающихся по периферии линий стежок, в каждом из которых сшитые нити пряжи полностью проходят через стопу из 34 слоев. После завершения сшивочной операции предварительно отформованная заготовка могла свободно стоять в своем спрессованном состоянии.

Используемые в этом варианте изобретения сшитые нити пряжи имели вес в 800 денье и относились к типу пряжи, который промышленность выпускает под названием XAS Графитекс Хелтра (выпускает фирма "Кауртьюдлэдс файбрес, лтд"); эти нити пряжи образуются из углеродного волокна, которое при определенном растяжении разрывается с образованием тонких углеродных лент с последующим их прядением в пряжу.

Получаемая в результате выполнения всех операций свободно стоящая предварительно отформованная заготовка имеет толщину примерно в 43 мм, которая затем подвергается процессу карбонизации в этой своей форме. Процент наличия волокон в заготовке по объему равен примерно 30% Полученную по любому из описанных выше способов сшивания или обработки иглами предварительно отформованную заготовку можно подвергать процессу карбонизации, в ходе выполнения которого происходит усадка волокон и еще большее упрочнение конструкции заготовки. Эту заготовку для изготовления тормозного диска можно будет обрабатывать без использования какого-либо зажимающего приспособления, например, спрессовывать заготовку до какого-то конкретного объема волокон. Требуемый объем волокон достигается за счет прессования с помощью пресса в процессе обработки заготовки иглами или с помощью направляющих плит стачечной машины, а также за счет противодействующего эффекта последующей операции карбонизации. Устранение необходимости в использовании зажимного приспособления дает возможность обрабатывать заготовку в свободно стоящем положении посредством инфильтрации углерода в процессе выполнения операции химического осаждения в паровой фазе, что дает возможность более эффективно использовать пространство печи при изготовлении углеродных тормозных дисков.

Благодаря наличию толстых пучков волокон, аксиально простирающихся через тормозной диск, легко достигается более эффективная теплопроводность в аксиальном направлении и более высокая прочность на сдвиг между слоями.

Преимущество настоящего изобретения заключается не только в том, что по нему отпадает необходимость в удерживании тела углеродных волокон или предшествующего материала углеродных волокон в каком-то зажимном приспособлении для последующей обработки этого тела, например, в печи химического осаждения в паровой фазе, в которой экономия пространства печи является важным фактором. Преимущество изобретения заключается также в том, что для состоящего из стопы слоев тела один или более слоев стопы этого тела можно легко и просто агрегировать из множества частей листового материала, а не из одиночных элементов, как это делается по уже известным способам. Например, при формировании слоя кольцеобразной формы для тормозного диска слой можно образовывать из множества сегментов, что связано со значительно меньшими отходами первоначального листового материала по сравнению с практикой использования отдельных элементов, предварительно вырезанных в виде колец.

Формула изобретения

1. Способ изготовления заготовки из углеродного волокна для композиционных материалов, характеризующийся формированием тела заготовки из по меньшей мере одного слоя углеродного волокна или из его исходного материала путем накладывания слоев друг на друга, обработкой игольчатым средством путем пропускания игл через всю толщину тела перпендикулярно слоям и прессованием тела элементами пресса, отличающийся тем, что обработку сформированного тела заготовки игольчатым средством, которое проникает через всю толщину тела, осуществляют после прессования тела до требуемой толщины с одновременным прошиванием слоев сшивающими элементами.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прессованную заготовку удаляют из элементов пресса в свободностоящем состоянии.

3. Способ по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что тело заготовки содержит слои нетканого углеродного волокна или его исходного материала из штапельных волокон и/или непрерывных нитей, при этом часть слоев выполнена в виде нетканого полотна, а другие слои содержат составные части, например, сектора.

4. Способ по пп. 1 3, отличающийся тем, что тело заготовки содержит по меньшей мере десять, предпочтительно двадцать слоев углеродного волокна или его исходного материала.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что обработку тела заготовки игольчатым средством, которое проникает через всю толщину тела, осуществляют после прессования тела до необходимой толщины.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что тело заготовки содержит трехмерный волокнистый материал, предпочтительно ориентированный волокнистый материал.

7. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что игольчатое средство содержит зазубренные иглы, при этом пропускание игл через всю толщину тела осуществляют многократно.

8. Способ по п. 7, отличающийся тем, что многократное пропускание игл осуществляют в одни и те же точки с образованием толстых пучков волокон, простирающихся через всю толщину заготовки.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что многократное пропускание игл осуществляют при поперечном перемещении тела заготовки в интервале между обработкой иглами с образованием двух рядов толстых пучков волокон, простирающихся через всю толщину заготовки.

10. Способ по п.9, отличающийся тем, что при поперечном перемещении тела заготовки элементы пресса отводят от последней.

11. Способ по п.9, отличающийся тем, что один из элементов пресса имеет два ряда отверстий для прохождения игл игольчатого средства при поперечном перемещении заготовки в разное время.

12. Способ по пп.7 11, отличающийся тем, что тело заготовки удерживают в спрессованном состоянии между базовой и периферийной съемной плитой, через отверстия которой проходят зазубренные иглы для обработки слоев.

13. Способ по пп. 7 12, отличающийся тем, что после обработки иглами положение тела заготовки меняют на противоположное и обработку иглами повторяют с обратной стороны.

14. Способ по п.13, отличающийся тем, что для обработки иглами с каждой стороны положение тела заготовки на обратное меняют многократно.

15. Способ по пп.7 12, отличающийся тем, что обработку иглами тела заготовки осуществляют с двух сторон без изменения его положения.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что обработку иглами тела заготовки осуществляют одновременно с двух сторон.

17. Способ по пп.13 16, отличающийся тем, что при каждой обработке иглами последние пропускают в одном направлении относительно тела заготовки.

18. Способ по пп.1 6, отличающийся тем, что при пропускании игл через тело заготовки по меньшей мере один сшивающий элемент проникает через всю толщину тела.

19. Способ по п.18, отличающийся тем, что по меньшей мере один из сшивающих элементов содержит углеродный или способный к карбонизации материал.

20. Способ по п.18 или 19, отличающийся тем, что по меньшей мере один сшивающий элемент содержит двуокись кремния или карбида кремния.

21. Способ по пп.18 20, отличающийся тем, что сшивающий элемент обладает высокой устойчивостью без снижения качества при температуре, превышающей 700^oС, предпочтительно превышающей 1000^oС.

22. Способ по пп.1 21, отличающийся тем, что в качестве углеродного волокна используют окисленное полиакрилонитриловое волокно.

23. Способ по пп.1 22, отличающийся тем, что прессуемое тело имеет форму кольца.

Приоритет по пунктам: 25.07.89 по пп.1 3, 6 16, 21; 12.12.89 по пп.17 20, 22; 24.01.92 по пп.4 5, 23.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 25.07.2005

Извещение опубликовано: 20.09.2007        БИ: 26/2007

---