[发明专利]薄膜沸腾法的边缘致密化

说明书

优先权

本申请要求2007年9月17日提交的美国临时申请No.60/972,905的优先权，该临时申请在允许以引用方式并入的所有场所和司法范围以全文引用的方式并入本文。

技术领域

本发明涉及将多孔制品致密化。

背景技术

在摩擦材料领域中，通常已知使用由多孔材料制得的基材制造如摩擦制动盘的摩擦元件。这种摩擦元件的制造通常始于如环状预成型件的多孔预成型件的制造。

环状预成型件能使用多种不同的已知方法制造。例如，碳纤维织物层能被针织在一起，且环状预成型件能从堆积材料上切割。所述层可例如由气流成网纤维或织造纤维制得。而且，近净成形预成型件能例如通过将碳纤维编织成所需形状而形成。已知某些碳纤维织物具有有助于以螺旋形式铺设织物的编织。在该情况下，“近净”是指使具有接近于最终制品(如环状制动盘)的所需形状的形式的结构成型。

氧化聚丙烯腈(“PAN”)纤维或沥青基纤维为在此类应用中使用的起始纤维的常见例子。此后，可将这些纤维在高温处理步骤中碳化。在另一常规方法中，起始纤维使用树脂或沥青成型，且所得物质随后用如氮气的反应性气体固化。然后将所得固化的物质碳化以获得半刚性预成型件。

无论如何，合意的是进一步将所得多孔预成型件(特别是具有碳质材料的多孔预成型件)致密化以获得所需的摩擦和机械性能。

化学气相渗透(“CVI”)为获得碳/碳(有时在本领域中称作“C/C”)复合材料的常规致密化技术。CVI通常使用含碳氢化合物的气体渗透多孔预成型件。然后CVI气体在高温下裂解以在预成型件的纤维结构上留下碳涂层，由此增加制品的密度。

使用气态前体的CVI通常需要数百小时的加工以获得具有所需密度特性和机械性能的碳/碳结构。举例而言，典型的CVI法包括例如进行第一气体渗透循环大约300-500小时或更长。

然而，常规CVI在预成型件的内部部分被充分致密化之前经常造成预成型件的表面孔隙率的快速堵塞。为了“再打开”表面孔隙率(以使得气态前体继续到达制品的内部部分)，中间加工步骤变得是必需的。通常，该中间加工(使用如研磨的已知方法)去除具有碳堵塞孔隙的预成型件的表面层以暴露预成型件的开孔，从而使得碳氢化合物气体能再次渗透预成型件结构。考虑到数百个预成型件在典型的致密化中被致密化，所述中间加工步骤给整个CVI致密化法增加了多达48小时。

一旦部分致密化的制品的中间加工完成，进行第二CVI法以利用预成型件的再打开的表面孔隙率，所述第二CVI法又持续例如300-500小时或更长。这通常完成了致密化法。

致密化多孔预成型件的另一方法使用液体而不是气态碳氢化合物前体。该致密化方法有时在本领域中称作“薄膜沸腾”或“快速致密化”。

用于致密化的液体前体的使用在例如美国专利Nos.4472454、5389152、5397595、5733611、5547717、5981002和6726962中讨论。这些文件的每一个在允许以引用方式并入的所有场所和司法范围以全文引用的方式并入本文。

薄膜沸腾致密化通常涉及将多孔预成型件浸入液体，特别是液体碳氢化合物，从而使得液体基本上完全渗透预成型件的孔隙和间隙。之后，将该浸入的预成型件感应加热至液体碳氢化合物的分解温度以上的温度(通常为1000℃或更高)。更特别地，与所述感应加热的预成型件结构相邻的液体碳氢化合物在预成型件孔隙内分解为各种气相物种。所述气相物种的进一步热分解导致在多孔材料的开口区域中的内表面上的热解碳的形成。

所述液体碳氢化合物可为环戊烷、环己烷、1-己烯、汽油、甲苯、甲基环己烷、正己烷、煤油、加氢脱硫煤油、苯或其组合。此外，所述液体前体可含有如甲基三氯硅烷、二甲基二氯硅烷、甲基二氯硅烷或三-n-甲基氨基硅烷的有机硅烷。在一些情况中，所述液体前体可为有机硅烷和碳氢化合物的混合物。

所述液体前体可以已知方式配制以获得组合分解产品。例如，分解产品可包含碳化硅和氮化硅，或碳/碳化硅或碳/氮化硅。

由于包围预成型件的沸腾液体，强的热梯度在盘的内部(即核)和外部(即外围)部分之间产生。致密化通常起始于核区域，因为那里的温度比更靠外的表面部分相对更高。因此多孔制品能在仅仅一个致密化法步骤中被基本上完全致密化，比使用常规等压CVI(“I-CVI”)法(其中致密化优选在制品表面发生)快得多，所述等压CVI法趋于密封制品的孔隙率并阻止进一步的气体渗透。液体前体致密化的动力学比使用气体渗透步骤快100倍左右。