[发明专利]具有耐久表皮的碳泡沫加工工具

说明书

发明背景

相关申请

[0001]本申请是2005年5月25日提交的名称为“Sealant for HighStrength Carbon Foam”的共同未决且共同转让的美国专利申请序列第11/137,111号的部分延续并要求其优先权，以及本申请是2004年10月21日提交的名称为“High Strength Monolithic Carbon Foam”的共同未决且共同转让的美国专利申请序列第10/970,352号的部分延续并要求其优先权，将其公开内容通过引用结合进来。

技术领域

[0002]本发明涉及可用于制备复合材料的覆层碳泡沫加工工具(clad carbon foam tooling article)。更特别地，本发明涉及如下加工工具，包括外覆有耐久面板材料(durable facesheet material)的高强度碳泡沫块。甚至更特别地，本发明涉及包括用固化的碳质水泥密封且外覆有热相容耐久面板材料的高强度整体式碳泡沫块的加工工具，并进一步涉及用于制备这种工具的方法和材料。

背景技术

[0003]在现有技术中已经建议了高强度轻质碳材料可用于加工工具。特别地，由于其低密度以及非常高或非常低的导热性，碳泡沫吸引了非常大的近期关注。不幸的是，现有技术方法制备的碳泡沫不足以用于很多高温应用，例如复合材料加工。这些泡沫通常不是整体式的且不能满足这些应用的强度和强度密度比需求。此外，具有高度互连孔的开孔碳泡沫具有使其不适用这些应用的孔隙率。术语孔和孔隙可互换使用表示通过其前体材料中的气体置换在泡沫中形成的小空腔。

[0004]现有技术中还已经建议了对碳泡沫进行覆层作为改性方式以改善其作为加工工具的可用性。在其美国专利第6,849,098号中，Joseph和Rogers描述了覆层有所谓的“面板”材料的、具有高度互连的开孔孔结构的碳泡沫产品。此处的术语“面板”表示具有工作面或工作表面的工具(特别是加工工具)的表皮、覆层或外层。依照Joseph和Rogers描述的方法施加到碳泡沫上的面板材料完全或部分填充该孔体积。然而，用面板材料填充孔将提高该泡沫的密度并因此降低其作为用于复合材料加工中的轻质材料的适用性。由Joseph和Rogers制备的覆有面板的碳泡沫表现出固有的结构问题，包括难于将该面板材料直接粘附到该碳泡沫上，以及由热膨胀速率不相容造成的面板材料的内在受力和开裂。Joseph和Rogers的泡沫产品可能没有加工或其他结构应用所需的强度密度比。而且，依照Joseph和Rogers技术制备的泡沫不能以用于加工的足够大的块形式获得，因此需要将数个块用水泥固定在一起。尽管可以将这种块成功地用水泥固定在一起，但更多的经水泥接合必然会降低所得到的块的结构完整性，以及能够在成品中导致接缝。

[0005]近来，UCAR Carbon Company Inc.，Parma，Ohio已经开发并以商品名GRAFOAM商品化了碳泡沫，并在美国专利申请公开第US2006-0086043A1号中对其进行了描述，本申请要求其优先权。该新泡沫是整体式的，且具有可控制的孔结构，以提供适用于复合材料加工和其他应用的孔结构、强度和强度密度比。事实上，GRAFOAM碳泡沫中发现的特征的组合(包括高于现有技术中证实的强度密度比)已经发现是在将碳泡沫应用于复合材料加工应用中所必需的。

[0006]尽管GRAFOAM碳泡沫与市场上可获得的开孔碳泡沫相比具有提供低透气性的孔结构，但是其碳泡沫表面仍是多孔的，且需要密封以使该碳泡沫特别可用于例如加工的应用。如果该泡沫表面没有充分密封，在复合材料制备工艺过程中(例如树脂注入和真空辅助树脂传递成型)树脂能够渗透到该泡沫块中。该新型碳泡沫具有约0.05～约0.8克每立方厘米(g/cm³)的密度，具有至少约2000磅每平方英寸(psi)的抗压强度(由例如ASTM C695测定)，用于复合材料加工材料；核心材料是较低密度的材料。当意于用于高温应用(例如复合材料加工)时，形成该新型碳泡沫以提供至少约7000psi/(g/cm³)的强度密度比。