CN100411859C - 使用树脂传递模塑方法以高粘度树脂或沥青快速密实多孔实体(预制件) - Google Patents

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Abstract

披露一种树脂传递模塑(RTM)方法，它用来以高粘度树脂或沥青快速充填纤维预制件和/或刚性多孔实体。该方法还适用于浸渍重叠在单独模型中的多个多孔实体。该方法使用放置在与所需零件几何形状匹配的模型中的纤维预制件或刚性多孔实体。树脂在一定温度和压力下注射到模型中。在冷却之后从模型中取出已渗透构件。模型由两个半模构成，它们装配形成至少一模腔。在半模中设置装备着喷嘴的浇口，而阀让树脂或沥青进入浇口区域。排气或真空可应用于该模型。模型被保持在液压压力机或挤压成形机中，并可任选地装备蓄积器以便将树脂或沥青供应到模型中。

Description

使用树脂传递模塑方法以高粘度树脂或沥青快速密实多孔实体(预制件)
技术领域
本发明针对一种使用树脂传递模塑技术以高粘度树脂或沥青快速密实包括碳-碳(“C-C”)合成物和多孔预制件的高温材料的改进方法。
背景技术
本发明描述一种用来快速密实包括碳-碳合成物、碳和陶瓷纤维增强的预制件以及碳和陶瓷泡沫状物的高温材料的经过改进的方法。
通常，这些高温材料用碳和/或陶瓷的CVD/CVI(化学气相沉积/化学气相渗透)，或者以树脂和/或沥青以及它们的结合体的液体渗透来密实。CVD/CVI工艺资金昂贵并且由于多密实循环通常要花费几个星期来完成而经受很长的循环时间。
用树脂和沥青浸渍多孔实体通常包括真空/压力渗透(VPI)。在VPI方法中，一定体积的树脂或沥青在容器中熔化，在此同时多孔预制件容纳在处于真空状态的第二容器中。熔融的树脂或沥青使用真空和压力的结合作用从第一容器传传送到容纳在第二容器内的多孔预制件之中。该VPI方法局限于使用具有低粘度和相关的低碳产生率的树脂和沥青。因此，使用VPI方法以树脂和沥青前体密实多孔预制件通常需要几个循环(时常达7个循环)的浸渍并继之以碳化，从而需要长达几星期的循环时间以便获得所需的最终密实。
在典型的VPI工艺中为了避免与使用低碳产生率的树脂和沥青相关的长循环时间，使用高压浸渍/碳化(PIC)来增加沥青的碳产生率。典型的高压碳化循环超过5000磅/英寸2并且时常为15000磅/英寸2。用高压碳化获得的高碳产生率允许密实循环数目从6-7个循环减少到3-4个循环来达到等同的密度。然而，高压容器资金昂贵并且尺寸受限制因而在容器中密实的预制件数量有限。使用高压还增加爆炸危险因而需要专门的安全预防办法来满足安全标准。
一种改善碳密实方法的效率的替代方法包括使用具有高碳产生率(＞80％)的液态树脂。典型的高碳产生率树脂包括合成的中间相沥青(例如来自Mitsubishi Gas Chemical Company，Inc.的AR中间相沥青，即催化聚合的萘)以及热或化学处理过的煤焦油和石油衍生沥青还有其他热塑树脂。然而，在当前的涉及高粘度和相关高处理温度的VPI方法中存在着许多使用这些高碳产生率树脂相关的问题。
本发明提供对于上述问题的解决办法，并提供一种方法来提供多种降低的循环时间的较高密度合成物。本发明使用与高碳产生率树脂结合的树脂传递模塑(RTM)技术在大约几分钟内密实多孔预制件。
RTM方法不是新东西。在最近一些年里，树脂传递模塑或者说RTM，和它的派生方法(被称作树脂注射成型)在航空航天、汽车和军事工业中作为多孔预制件密实的方法得到广泛使用。事实上，RTM在1940年中最初被引入，但直至1960和1970年当它被用来生产日用货物例如浴缸、计算机键盘和肥料筒时才得到少许商业成功。
RTM典型地用于生产聚合物基合成物。纤维预制件或者垫料放置在与所需零件几何形状匹配的模型中。通常，使用加压或在真空条件下诱导的方法将一种相对较低粘度的热固树脂以较低温度(100-300°F，38-149℃)注射到装在模型内的多孔实体中。在从模型取出之前该树脂在模型中固化。
RTM已经表示出能独特地满足每年汽车工业要求的低成本和大数量(大约500-50,000个)零件以及每年航空航天工业要求的高性能/较少数量(大约500-5,000个)零件。RTM的多种变型使它能很好地适于生产用于基础设施和军事应用的大而复杂的厚断面结构。它的实例为军队合成装甲车辆(CAV)的下部外壳。汽车工业已经使用RTM十年之久。
美国专利5,770,127披露一种用来制造碳或石墨增强合成物的方法。将硬质碳泡沫预制件放置在密封的挠性袋中。在袋内形成真空。将母体树脂经过入口阀引入该袋以便浸渍预制件。然后加热固化该预制件，最后从袋中取出生成的碳或石墨结构物。
美国专利5,306,448披露一种利用储槽的树脂传递模塑方法。这个储槽包括加压产生的多孔海绵体并装有二至十倍海绵体重量的树脂。该树脂容器借助于提供一种能确保多孔纤维增强合成物之类多孔预制件所需浸渍的树脂储槽而促进树脂传递模塑。
美国专利5,654,059披露厚的三维垫料结构的制造，该结构包含不连续热固沥青纤维，而且通过该结构的针刺孔率至少为80％。
美国专利4,986,943披露一种用来氧化稳定碳-碳合成物沥青基材料的方法。在这种方法中，网格状的碳纤维用一种沥青基母体前体来渗透，并在含氧气氛中以低于该沥青软化点的温度进行氧化，最后进行碳化以便使该母体材料变为焦炭。
在树脂和塑料的典型挤压成形方法中，一种粘性熔融物被迫在压力状态下以连续流方式通过成形模具。原料可以熔融状态进入挤压成形设备，但是它更加通常地含有固体颗粒，这些颗粒需要在挤压成形机中进行熔化、混合和加压。固体供入料可以丸、粉、珠、片或重新研磨材料为形式。组分可预先混合或者通过一个或多个喂料口分别送入。
多数挤压成形机采用单螺杆，该螺杆在水平料筒内旋转，该料筒具有装在端部(喂入端)上方的入口和装在排料端部(计量端)的成形模具。沿着料筒长度可布置一系列加热器以便将挤压成形机分隔成多个分开的加热区。在典型的挤压成形应用中成形模具用来成形纤维材料、杆或其他形状。在RTM方法中该成形模具可用含有多孔实体或者说预制件的模型来代替。
双螺杆挤压成形机比单螺杆挤压成形机用得少，但它们广泛应用于困难的复合应用场合、去除挥发份以及用于具有高粘度和热稳定性有限的挤压成形材料。双螺杆结构可反向旋转或同向旋转，并且该螺杆可完全互相啮合、部分互相啮合或者不互相啮合。在JaquelineI.Kroschwitz、Ed.、Jonh wiley&Sons的1990年ConciseEncyclopedia of Polymer Science and Engineeing第363-367页；以及Z.Tadmore和I.Klein、Van Nostrand Reinhold的《Principlesand Pbasticating Extrusion》(1970年，纽约)中讨论了本技术已知的挤压成形技术。
尽管使用多种高碳产生率树脂为改善碳产生率和减少达到最终密度所需的密实循环数量提供可能，它们在VPI和RTM方法中的使用至今未能成功。由于高碳产生率树脂具有高粘度以及需要较高温度来降低用于浸渍的树脂和沥青的粘度，在VPI方法中利用高碳产生率树脂已受到限制。高碳产生率树脂的较高处理温度和较高粘度在现存VPI和RTM方法的情况下导致下列问题：
1)在浸渍前该树脂开始在保持容器内固化。
2)为了浸渍该高粘度树脂需要更高的压力。
3)该树脂不均匀和不完全地渗透到多孔实体或者说预制件中从而导致干点(多孔性)，该干点由封入预制件内部的气孔形成。
借助于减少达到所需最终密度的浸渍循环数量，在RTM方法成功地使用高碳产生率树脂与现存的CVD/CVI和VPI方法相比会提供显著减少的合成材料密实循环时间。此外，在RTM方法中使用高碳产生率树脂还使树脂浪费减少(树脂利用率90％)。
在RTM方法中成功地使用高碳产生率树脂需要进行一些革新，包括：
1)为了提供进入和穿过预制件的有效、均匀的高粘度树脂流动的装置。
2)为了防止干点形成并借此使密集效率最大化的装置，所述干点由于树脂的不完全浸渍以及将空气和挥发物截留在预制件内相结合而生成。
现有技术表明，需要一种用高粘度熔融树脂(例如AR中间相沥青)在高温下浸渍多孔预制件的方法和设备。生成的已浸渍预制件最好不存在“干点”并具有经受氧化稳定、碳化和石墨化之类进一步处理的能力。
发明内容
就部分而论，本发明提供一种用高粘度、高碳产生率树脂(例如中间相沥青)对多孔纤维预制件或者刚性多孔实体的快速、独立的渗透。
就部分而论，本发明提供一种利用高粘度中间相树脂来密实刚性实体的设备和方法。
就部分而论，本发明还提供一种挤压成形机或类似设备以便均匀地熔化和混合注射介质(高粘度树脂)。该挤压成形机可为单螺杆或双螺杆挤压成形机。单螺杆挤压成形机由于成本更低而成为优选。
就部分而论，本发明还提供一种挤压成形机，它能与蓄积器配装以便在将受控体积的树脂在压力状态下注射到模型中之前保持该受控体积的熔融树脂。本发明的优点为：提供一种消除树脂浪费的树脂传递模塑方法。
就部分而论，本发明还提供液压压力机以便紧紧夹住含有多孔预制件或刚性多孔实体的模具。
就部分而论，本发明还提供模型，它有效地分配树脂使之均匀地通过预制件。
就部分而论，本发明提供可能在压力机中水平定向的模型。具有喷嘴的浇口能放置在模具半件一表面的中央。该模型可具有锥形的模腔以便促进适当的熔融树脂流动。
就部分而论，本发明还涉及树脂传递模塑方法，该方法包括：将多孔预制件放入模型；将熔融树脂或沥青注射到模型内；允许该树脂或沥青冷却到熔点以下；以及从模型中取出已浸渍预制件，在此处模型包括：上半模；下半模，它与上半模相对因而上半模与下半模形成模腔；至少一布置在上半模或下半模上的浇口；能让树脂进入浇口的阀；以及用来为模型提供排气和/或真空的结构。
多孔实体可为纤维预制件、碳或陶瓷纤维预制件、非织造预制件、刚性纤维预制件、多孔碳或陶瓷实体，或者泡沫预制件或刚性泡沫预制件。该预制件可被碳化或石墨化。该预制件能用CVD/CVI渗透。该预制件可事先树脂渗透。该预制件能在被放置在模型件之前或之后加热到高于290-425℃(554-797°F)之间的温度。该预制件能加热到高于树脂或沥青熔点的温度。模型被加热到138-310℃(280-590°F)之间的温度。树脂或沥青可为煤焦油、石油或合成沥青前体的派生物，例如合成沥青、煤焦油沥青、石油沥青、中间相沥青、高碳产生率热固树脂或它们的结合体之类。在单独模型中可放置多个零件。
此外，根据本发明的部分，在密实之后，已密实零件能在含氧环境中以升高的温度进行处理，以便有效地交联热塑树脂。这个方法与在生产沥青基碳纤维中实施的方法类似，它使母体在预制件中固定就位并防止该母体在后来加热到高于该树脂熔化温度期间软化、膨胀和排出。氧稳定可要求在存在氧的情况下将已密实零件加热到低于该树脂软化点的温度(302-482°F，150-250℃)，通常为338°F(170℃)。已密实零件的附加处理可包括碳化、石墨化和使用RTM或CVD/CVI重新浸渍。
通过随后的多个实施例的详细描述、所附权利要求以及附图，将使本发明的目标、特性和优点更加明确。
附图说明
从下文给出的详细描述和附图中使得本发明变得更加清晰，它们只起描述之用不对本发明构成限制。附图不按比例画出。
图1a和1b是本发明能处理的纤维预制件的顶视和侧视图，
图2a表示根据本发明实施例的树脂挤压成形成型设备，
图2b详细地表示该成型设备挤压成形机，
图3表示根据本发明实施例的模型的横截面图，它包括围绕和通过该预制件的树脂流的示意图，
图4表示根据本发明实施例的锥形模腔的横截面图，它包括围绕和通过该预制件的树脂流示意图，
图5表示与图3和4横截面图相应的本发明上、下半模，
图6表示本发明模型下半模替代实施例，
图7表示本发明实施例模型的侧视图，
图8是顶视图，它表示用于本发明实施例模型下半模的另一种通气结构，
图9是侧视图，它表示在本发明实施例模腔内的两个预制件的构形，
图10表示通过本发明实施例叠加预制件的树脂或沥青流示意图，
图11表示AR树脂的粘度和温度之间的关系，
图12表示适于沥青浸渍的温度和粘度范围。
具体实施方式
一种快速密实多孔实体或者说预制件(例如碳纤维增强预制件或者多孔刚性预制件)的方法包括使用高碳产生率、高粘度树脂的单独或多次渗透和碳化步骤。渗透介质可为煤焦油沥青、石油沥青、中间相沥青、高碳产生率热固树脂或它们的混合物。根据本发明(并相对于典型的RTM)方法的单独或组合的特性包括：
a)使用高熔点、高粘度沥青或树脂，
b)使用高碳产生率沥青或树脂，
c)使用在线熔化和混合的挤压成形机，
d)用于相对较厚的零件，
e)使用碳泡沫预制件，
f)使用刚性多孔实体，
g)实现零件的迅速渗透(秒数量级)，
h)由于快速渗透而采用较冷的模型温度，
i)在RTM期间使沥青或树脂浸渍剂发泡的能力，从而产生有助于CVD/CVI的附加表面区域、热性能或调整表面区域，
j)在用例如中间相沥青的液晶渗透时给以流动结构的能力，以及
k)在渗透前将其他材料混入树脂熔融物的能力。
下面的多个实例描述挤压成形、蓄积器和模型技术的结合使用以便提供用高粘度、高碳产生率树脂密实多孔实体的独特设备和方法。
用于这种应用场合的树脂被定义为例如包括酚醛树脂、糠基树脂和沥青的热塑或热固的液态前体，所述沥青包含从煤焦油、石油、合成物获得的沥青、经过热处理和催化转换的沥青、中间相沥青以及预陶瓷聚合体，例如可从Commodore Technologies，Inc.得到的Ceraset
Figure C0181829100111
。
用于这种应用场合的模型被定义为内装多孔体或者说预制件并在其中发生树脂渗透的容器。
在前两个实例中，类似于用于飞行器制动装置应用场合的小规模多孔纤维预制件用高碳产生率树脂密实。图1a和1b表示用于这两个实例的纤维预制件的顶视和底视图。这种预制件1可具有5英寸直径。在预制件1的中央有直径为0.5英寸(1.27cm)至几英寸的孔2。预制件可具有1英寸(2.54cm)的厚度。
最初的实验曾用装有铝模型的例如Killon挤压成形机的挤压成形机来实施，该模型装备着小排气孔，例如为0.031英寸(0.79mm)的模具小孔，以便排出截留的空气以及在浸渍期间来自预制件的挥发物。这个小孔被设计成在给定的挤压成形机每分钟转数情况下保持模型上的背压，借此加压该模型并能用树脂均匀地渗透多孔预制件。将沥青粉末或小丸喂入单螺杆挤压成形机。该挤压成形机沿着料筒装备着多个加热区。树脂(AR沥青)在直接压入已加热模型之前在挤压成形机内熔化。
实例1
将沿着料筒具有5个的加热区域并且长度直径比为35∶1的Killion挤压成形机直接连接到已加热铝模型上。该挤压成形机的温度分布如下：
喂入段温度：区域1为240℃(464°F)
区域2为278℃(532°F)
区域3为310℃(590°F)
区域4为305℃(581°F)
区域5为300℃(572°F)
挤压成形模具区为305℃(581°F)
模型为300℃(572°F)
纤维预制件在模型中预加热2小时，直到在渗透之前达到285℃(545°F)的内在温度。挤压成形机螺杆初期以每分钟20转运行，并在运行期间降低为每分钟15转。AR沥青树脂经过漏斗引入挤压成形机并在2小时的周期范围内以800-900磅/英寸2(5.52-6.21MPa)的熔融物压力挤入该中空纤维预制件内。实际的树脂熔化温度用位于熔融物流内的热电偶进行测量。在渗透期间的熔融物温度为318℃-321℃(604°F-610°F)并且高于挤压成形机的设置点温度，这是因为附加的剪切能量由挤压成形机螺杆施加在熔融物上。在整个2小时运行期间开动和关闭挤压成形机螺杆以便保持800-900磅/英寸2(5.52-6.21Mpa)的熔融物压力。在大约10至15分钟后观察到树脂离开位于模型侧面的1/32″(0.79mm)排气孔。
在2小时之后，冷却模型并关闭热源。热源关闭约30分钟后分开模型并取出零件。零件在取出后被切成两半并进行目视检查。该零件几乎完全被树脂充满，但确实含有小干燥区，并表示出纤维层之间的一些分层迹象。
在将高粘度树脂浸渍多孔预制件得到成功的同时有几个改进范围已被确认，它们包括：
1)减少浸渍时间
2)减小干燥区尺寸
3)消除零件的分层倾向。
在实例2中表示用来密实CVD硬化的多孔纤维预制件的RTM密实方法。进行预制件的CVD硬化以便强化该多孔预制件并减少该纤维预制件的分层倾向。
实例2
为了在用树脂渗透之前硬化零件，将非织造多孔预制件碳化并使其经受单循环CVD密实。
使用如同实例1描述的Killion挤压成形机/模型系统。从全尺寸飞行器制动盘预制件上切下直径5英寸(12.7cm)厚1英寸(2.54cm)并具有0.5英寸(1.27cm)中央穿孔的CVD硬化纤维预制件5(参见图1和2)。铝模型的直径为6英寸(15.24cm)、厚度为1英寸(2.54cm)并装备着0.052英寸(1.32cm)的排气孔。使用该较大排气孔是为了在整个渗透工艺期间保持挤压成形机工作的同时改善树脂(AR沥青)从模型内排气。目标是保持螺杆转动，维持恒定压力、沿着螺杆提供熔融物密封以及将整个运行时间从2小时减为15分钟。挤压成形机设置被描述如下：
喂入段温度：区域1为240℃(464°F)
区域2为278℃(532°F)
区域3为310℃(590°F)
区域4为310℃(590°F)
区域5为305℃(581°F)
挤压成形模具为305℃(581°F)
挤压成形模具(附加的额外模具控制器)为305℃(581°F)
模型为305℃(581°F)
要被渗透的零件在开动挤压成形机之前在模型中重新加热2小时。树脂(AR中间相沥青)从漏斗喂入挤压成形机。树脂被挤压成形15分钟直至观察到树脂从排气孔离去为止。然后将模型冷却20分钟。在渗透期间由于模型内的法兰垫片泄漏，压力从初始的850磅/英寸2(5.86MPa)减少到260磅/英寸2(1.79MPa)。
该预制件在渗透前具有0.815磅(369.7克)的初始重量，对于0.987磅(447.6克)的最终重量而言它被增加0.172磅(77.9克)。初始密度为0.048磅/英寸3(1.34克/cc)，而最终密度为0.059磅/英寸3(1.63克/cc)。渗透后的预制件被切成两半，可以看出除了小干燥区之外完全被充满。该干燥区可能由于模型衬垫泄漏并导致渗透压力降低而造成。然而，在用高密度树脂(AR中间相沥青)密实的CVD硬化预制件中没有任何分层的痕迹。来自初始树脂传递模塑试验的结果表明，用高密度、高碳产生率树脂(AR中间相沥青)渗透密碳纤维预制件可利用树脂成型方法来实现。下文的描述和后继的多个实例表明，利用本发明方法和设备，能实施以用于飞行器制动装置场合的预制件为代表的较大预制件的浸渍。
图2a表示本发明的树脂传递模塑设备。图2b以更加详细的方式表示该挤压成形机。将一般为由Mitsubishi Gas Chemical Campani，Inc.销售的AR中间相沥青树脂的原料装入安装在挤压成形机4上的漏斗3中。该挤压成形机可为单螺杆挤压成形机、双螺杆挤压成形机、排气的双螺杆挤压成形机或往复运动螺杆挤压成形机。挤压成形机螺杆5既可为单螺杆也可为双螺杆，但出于经济理由最好是单螺杆挤压成形机。挤压成形机螺杆5通过喂入喉部70将树脂送入，并且在树脂沿料筒6长度向下输送时逐渐加热该树脂。剪切混合器(maddockmixer)71借助于对树脂的附加机械加工而有助于确保更加均质的熔化。该剪切混合器打碎树脂流动形式，并且还借助于对材料实行剪切而改善在单螺杆挤压成形机内的添加剂混合。静态混合器72包含多个静态混合构件。多根不锈钢棒被焊在一起，起到多个流动通道作用以便将熔融树脂(以及任何其他添加剂)从料筒中央输送到料筒壁并重新返回。每个混合构件相对于相邻构件转动几度。在挤压成形机螺杆端部的剪切混合器和静态混合器构件能使用于单螺杆挤压成形机以便改善树脂熔融物的混合并减少温度变化。然后将树脂传送到蓄积器8中。蓄积器8可为活塞蓄积器。该蓄积器还可为液压驱动的活塞蓄积器。由挤压成形机形成的树脂熔融物压力迫使蓄积器8内的活塞7回到符合需要的位置。一旦所需体积的树脂已被蓄积，蓄积器活塞7就向前运动并迫使该受控体积的树脂通过传送管9进入模腔。提供一种与该传送管相关的阀的布置(未表示)来分别控制树脂的流动和回流。要被渗透的零件被容纳在模型10内部。模型温度借助于利用装备着热交换器的油循环器进行控制。挤压成形机温度用一系列水冷铸铝加热器11和一系列温度控制器(未表示)维持。
要被渗透的零件在炉或者在该模腔内预热到等于或高于树脂熔融物温度。该模型被容纳或者说放置在压力机12内部。压力机12可为液压压力机。尽管图2中描述的是垂直作用压力机，水平作用压力机应该也可使用。还有，模型不是需要完全放置在压力机内部。压力机12的夹紧力取决于所用零件的尺寸(在所引用实例中使用500吨压力机)，该夹紧力抵消正被迫进入模腔的树脂压力。模型10也被加热，已渗透零件保留在模型10内直到树脂冷却到熔点以下，然后取出该零件。
工艺操作方法包括在渗透之前和/或期间抽空模型。这种方法需要模型密封相当好并保持真空。然而，使用真空需要增加复杂性和成本。优选的方法包括在图3、4和5中表示的模型结构。这些结构的基础是树脂围绕中空预制件1或者说盘的内径、顶部和底部自由流动。在模型20和21外径处的环状突起(或者模型30和31的因倾斜而形成的狭窄间隙)有效地迫使树脂以及原来在零件内的空气和正在离开树脂的挥发物通过该零件朝排气孔22和32运动，排气孔22和32是通过用垫片隔开两个半模的方法在零件外直径处形成的。如果模型被密封并且不施加真空，树脂就会全部灌封零件并且从所有侧面渗透。随着树脂充填零件和模腔内压力的增大，原先在零件内的空气以及来自树脂的挥发物被压缩到越来越小的容积之中。这最终导致小的多孔区，即未被树脂浸渍的“干点”。已表示的这种带有多个薄片的模型结构用来在不需要在模腔上抽真空的情况下消除零件内的干点问题。
图3表示本发明实施例模型的横截面图。将环状预制件18放置在环状模腔19内。环状模腔19通过浇口13从中央喂入，并由顶浇口14和底浇口15进行控制。底浇口15装备着具有关闭杆17的喷嘴16。环状模腔19上下分别装备着两个外径环状突起20和21。每个外径环状突起与预制件具有大约1/4至1/2英寸(6.35-12.7mm)的重叠部分。在预制件和外径环状突起之间的较小余隙借助于在模型内从分别具有外径环状突起20和21的端部到内径入口(浇道)形成流动阻力差异而有助于熔融树脂流的保持。该差异在外径环状突起端部处具有较大的流动阻力，而沿着预制件具有较小的流动阻力，因而高粘度树脂能有效地渗透预制件。排气孔22消除截留空气、挥发气体以及过剩的树脂。尽管该方法可在利用或不利用真空的情况下实施，此方法十分有效以致于不需要真空。
图4表示根据另本发明实施例的具有倾斜模腔的模型横截面图。环状模腔29通过浇口23从中央喂入，并由顶浇口24和底浇口25控制。底浇口25装备具有关闭杆27的喷嘴26。环状预制件放置在该模腔小室29中。小室29分别装备倾斜的壁30和31。随着小室接近模腔周边，顶壁和底壁的倾斜方向朝向该小室中央。在倾斜区域和预制件在模型外径处的外边缘之间的较小余隙限制流动，从而能使高粘度树脂以与图3实施例实现流动阻力差异的方法类似的方式有效地渗透预制件。模型排气孔32消除截留空气、挥发物气体和过剩树脂。尽管该方法可在利用或不利用真空的情况下实施，此方法十分有效以致于不需要真空。
图3和4描述仅有一个小室的模型。作为替代，模型小室能设计成保持多个多孔实体。多个模腔(或者小室)表示各种竞争设计考虑的折衷，其相关优先考虑根据应用场合而改变。
排气也可通过模型表面完成。图5是隔成单独小室的本发明实施例环状模型的上和下半模的视图。该模型的下半模具有导销33a、33b、33c和33d以便帮助该模型的上和下半模对准。中央模腔35具有用来注射沥青或树脂的浇口36。多个垫片材料34a、34b、34c和34d定位在导销33a、33b、33c和33d以及模型小室43之间，它们能从模腔均匀地排出空气和挥发物。该垫片材料可具有0.005″到0.200″(0.13-5.1mm)的厚度。作为替代，能用在模型内的多个永久垫片或者加工出的沟槽来进行排气。
在将树脂注射到模型期间实施排气。作为替代，可在注射树脂之前为模型提供真空。还可在注射树脂期间为模型提供真空。
图6表示本发明实施例下半模型的顶视图。排气环37装备着四个排气孔38a、38b、38c和38d。浇口15设置在模型小室29内。排气孔38a、38b、38c和38d被引导到外部排气孔39，该排气孔39可具有例如0.062英寸(1.6mm)的开口。加热箍49围绕着排气孔48。
图7是本发明实施例模型的侧视图。下半模41和上半模42配合在一起形成具有筒形小室的完整模型组件。排气孔39布置在下半模41上。该排气孔可具有例如0.062英寸(1.6mm)或0.125(3.2mm)的直径。
图8是本发明实施例用于下半模的另一种排气结构的顶视图。排气孔43a、43b、43c和43d被引导到外部排气孔44上。在这个实施例中，排气孔44装有例如0.062英寸(1.6mm)或0.125英寸(3.2mm)的穿孔螺栓42以便连续地排气。内部排气环46向排气孔44供应废气。
如图8所示，为了保持整个渗透方法期间模腔压力均一并且有助于阻止熔融沥青进入排气孔已作出附加变型。这个附加特征包括排气孔43a、43b、43c和43d(排气环46内的入口)加工出螺纹并嵌入带多个小孔口的插入物以便形成压力降。这有助于控制模腔压力(在注射期间均一)并允许熔融沥青固化(因为排气孔43a、43b、43c和43d具有周围模型作为散热装置)因而不流入内部排气孔。
本发明借助于挤压成形和注射沥青来完成用熔融沥青密实预制件。然而，当考虑利用供应均一压力的注射设备将沥青挤压成形和渗透到模型和预制件是非常迅速的工艺时另一些优点能被实现。取决于预制件的尺寸，预制件的注射在大约不到一分钟或几秒钟内迅速发生。该注射工艺快到足以允许模型温度达到甚至低于树脂熔点的冷得多的数值。然而，多孔预制件需要预热到高于该沥青软化点的温度以便允许熔融树脂在压力作用下流入预制件。工业效率需要这一工艺十分迅速地完成。压力生成的适当控制加速该渗透工艺。
由于适当的压力控制，能在模腔内不生成过度力的情况下更加迅速地浸渍预制件，所述过度力会在浸渍工艺期间造成模型开放。考虑到模型小室的面积以及施加的吨数(例如500吨)，当模型小室内部的力大于施加的夹紧吨数时模型会开放。在用于飞行器制动盘预制件的模型中，在浸渍工艺期间的熔融物压力应低于例如3000磅/英寸2。这个压力通过液压系统和如图6至8所示的模型通气孔进行控制。
图9表示在本发明实施例模型小室中的双预制件结构。底预制件47和顶预制件48重叠在底模型表面49和顶模型表面50之间。模型表面衬垫51、52和53放置在预制件47、48以及它们各自的相应模型表面49和50之间。重叠衬垫52放置在预制件之间。模型表面衬垫51、53可为厚0.125英寸(3.2mm)，而重叠衬垫52可为厚0.062英寸(1.6mm)。
图10表示通过本发明叠加预制件的树脂或沥青流动。树脂从浇口54进入模型并均匀地通过和围绕预制件55和56因而能均匀地浸渍预制件。沥青离开预制件的流动路线朝向排气孔(未示出)。
PTM密实超过例如CVD的其它密实方法的优点包括渗透迅速、整个厚度更均匀的密实、能充填(密实)大的内部孔隙以及达到较高的最终密实。本发明的设备和方法导致用高粘度中间相沥青有效地密实预制件。
AR中间相沥青与商业可提供的传统沥青浸渍剂例如A240相比具有较高的粘度(在温度相当于或低于浸渍温度290℃时)，见图11。尽管它的粘度相对于A240较高，它仍然低到足以(＞1.5帕斯卡秒)允许利用本发明完全渗透到已预热的预制件中。相对较高粘度AR的附加优点是：在冷却到温度＜290℃情况下该沥青迅速固化。这使人们能通过RTM方法增加生产速度。用于AR的粘度对温度曲线在由White和Gopalakrish发现的‘处理窗口’(J.L.White和M.K.Gopalakrishnan，Extended Abstracts of 20th Bienial Conference on Carbon，1991，P.184)内跌落(见图12)。除了高粘度之外，AR沥青在被氧化稳定时具有高碳产生率(即大于85重量百分比)。它是AR树脂区别于其他沥青浸渍剂的性能的综合；本发明(即RTM)有效地利用这些极好的性能综合。
一些原料例如磷、硼和硅基合成物可加入树脂或沥青。这些原料可包括发泡剂、碳、石墨、陶瓷、抗氧化剂、交联剂、粘土和硅酸盐。氮气是一种典型的发泡剂，其他发泡剂也可使用。
本发明实施例设备和方法适合于用高粘度热塑树脂例如中间相沥青渗透零件的能力。在背景技术中，一般使用低粘度热固性树脂。预制件能具有20-70％的多孔度。一种本发明实施例方法包括：将多孔预制件放入模型，随后在注射前抽空模型。在注射期间也可为模型施加真空。作为替代，可不使用真空。预制件可预加热或在模型内加热。然后将熔融沥青注射到模型中以便密实预制件。允许树脂在模型内冷却。最后从模型中取出已浸渍预制件。
能用分离剂处理模型以便有助于取出已密实预制件。一种有效的分离剂是可从Huron Technologies，Inc.获得的分离涂料854。其他可从商业获得的分离剂也可能是有效的。
实例3
使用在图2中描述的注射成型设备。液压压力机具有500吨夹紧能力。蓄积器具有847立方英寸(13,880cm3)的理论容积，而用树脂测得的容积约为830立方英寸(13,601cm3)。在用AR树脂完全充填时，蓄积器含有大约37磅(16.8公斤)树脂。挤压成形机内的温度可在挤压成形机料筒、挤压成形机头部、流动适配器、蓄积器头部、蓄积器、放泄阀、放泄管、熔融物管、喷嘴座、喷嘴伸出部和喂入喉部内的六个位置进行测量。热由电加热器施加到挤压成形机上，而且模型由热油循环装置进行加热。挤压成形机螺杆在树脂熔融物内部建立起压力，并且该压力在蓄积器中被保持。
零件在炉中预热到707°F(350℃)并恰好在渗透之前传送到模腔中。在注射期间将零件保持在熔点以上，从而允许沥青流入预制件之中。还需要将压力保持几分钟以便允许沥青渗透小的孔洞。在这个实施例中，沥青被直接挤压成形到模型中，而不是使用蓄积器来注射熔融树脂，以便模仿使用该Killion挤压成形机进行的较小规模实验。
AR中间相沥青的渗透在已事先经受200小时的CVD密实的多孔非织造纤维预制件上实施。
初始的预制件尺寸和重量如下：
厚度＝0.875英寸(2.2cm)，内直径＝10.9英寸(27.7cm)，外直径＝18.6英寸(47.2cm)，重量＝7.04磅(3193克)，密度＝0.046磅/英寸3。
温度分布-Wilmington构造的注射成型机：
喂入端：
料筒460°F(238℃)挤压成形机头部580°F(304℃)放泄阀572°F(300℃)
料筒530°F(277℃)流动适配器580°F(304℃)放泄管572°F(300℃)
料筒550°F(288℃)蓄积器头部580°F(304℃)熔融物管572°F(300℃)
料筒572°F(300℃)蓄积器580°F(304℃)喷嘴座572°F(300℃)
料筒572°F(300℃)喷嘴伸出部560°F(293℃)
料筒580°F(304℃)喂入喉部120°F(49℃)
将树脂直接挤压成形到已预热零件内。在蓄积器上的背压用来在渗透期间保持模腔压力。螺杆以每分钟30转旋转，产生1900磅/英寸2(13.1MPa)的初始渗透压力，并在15分钟渗透阶段终结时减少到1680磅/英寸2(11.9MPa)。在模型上使用0.125英寸(3.2mm)直径的通气孔。热油循环装置设置为580°F(304℃)。预制件的最终重量为9.25磅(4196克)。用AR沥青浸渍过的预制件最终密度为0.061磅/英寸3(1.69克/cc)。
实例4
使用在图2和实例3中描述的设备。将AR中间相沥青渗透到已事先经受CVD密实循环的多孔非织造纤维预制件中。该多孔预制件是典型的用作飞行器制动盘的预制件，其尺寸如下：外直径19.90英寸(50.55cm)，内直径12.32英寸(31.29cm)，厚度0.875英寸(2.22cm)。挤压成形机温度分布如下：
温度分布
喂入段
料筒460°F(238℃)蓄积器头部576°F(302℃)
料筒530°F(277℃)蓄积器576°F(302℃)
料筒565°F(296℃)放泄阀572°F(300℃)
料筒572°F(300℃)放泄管572°F(300℃)
料筒572°F(300℃)熔融物管572°F(300℃)
料筒576°F(302℃)喷嘴座545°F(285℃)
挤压成形机头部576°F(302℃)喷嘴伸出部545°F(285℃)
流动适配器576°F(302℃)喂入喉部120°F(49℃)
模型温度为560°F(293℃)，而预制件预热到716°F(380℃)。挤压成形机螺杆以每分钟30转旋转，而830英寸3(13,604cc)蓄积器充满47％。蓄积器在18-20秒内出料，充填模型和预制件。朝向蓄积器出料端部达到2400磅/英寸2(16.6MPa)的最大压力。在模型一侧设置0.062英寸(1.6mm)排气孔，如图6所示。初期挥发物从该排气孔排出，后面是熔融沥青。在渗透之后，零件冷却10分钟以便树脂固化，然后从模型中取出。该预制件具有8.77磅(3986克)的初始重量和0.050磅/英寸3(1.39克/cc)的初始密度。在渗透后，该预制件的重量为10.40磅(4727克)，而密度为0.062磅/英寸3(1.72克/c c)。将渗透后的预制件切成两半。除了接近预制件中央的小未渗透区之外该预制件被认为是充填良好。
实例5
利用图2和实例3中描述的设备说明多个预制件浸渍。用AR树脂渗透两个已经受CVD循环的非织造预制件。这两个预制件在顶部相互重叠，并用多个高温垫片材料小片(直径1英寸(2.54mm)的圆形物)隔开零件以便允许树脂围绕预制件流动，如图9和10所示。在预制件和模型表面之间使用0.125英寸(3.2mm)厚的垫片，而在两个预制件之间使用0.062英寸(1.6mm)厚的垫片。
挤压成形机螺杆以每分钟30转旋转，而蓄积器加满到90％。蓄积器在大约40秒内出料，从而在渗透终了达到2750磅/英寸2(18.96MPa)的最大压力。渗透后的预制件在模型内冷却10分钟以便熔融树脂固化。该预制件在渗透前后的重量和密度如下：
表1
  预制件1   预制件2
  初始重量   6.93磅(3143克)   7.11磅(3225克)
  初始密度   0.045磅/英寸<sup>3</sup>(1.24克/cc)   0.046磅/英寸<sup>3</sup>(1.27克/cc)
  最终重量   9.29磅(4214克)   9.33磅(4232克)
  最终密度   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.65克/cc)   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.67克/cc)
实例6
利用图2和实例3中的设备来示范如同美国专利(混合泡沫状物专利)所述碳泡沫状物的浸渍。该泡沫预制件借助于将熔融沥青树脂直接挤入含有该预制件的模型而被渗透。该泡沫预制件的容积密度在渗透前为0.032磅/英寸3(0.89克/cc)，而在渗透后为0.057磅/英寸3(1.57克/cc)。
实例7
利用图2和实例3中的设备来示范包括如同美国专利(吹空气专利)所述切断的PAN基碳纤维和碳化的中间相沥青的预制件的浸渍。
挤压成形机运行条件如下：
料筒460°F(238℃)蓄积器头部580°F(304℃)
料筒530°F(277℃)蓄积器580°F(304℃)
料筒560°F(293℃)放泄阀572°F(300℃)
料筒572°F(300℃)放泄管576°F(302℃)
料筒576°F(302℃)熔融物管580°F(304℃)
料筒580°F(304℃)喷嘴座580°F(304℃)
挤压成形机头部580°F(304℃)喷嘴伸出部565°F(296℃)
流动适配器580°F(304℃)喂入喉部120°F(49℃)
在挤压成形之前，AR沥青树脂在Conair树脂加载/干燥系统中以190°F(88℃)干燥约4小时。挤压成形机螺杆以每分钟30转旋转，而蓄积器加满到54％。蓄积器在20至22秒内出料，从而在渗透终了达到1800磅/英寸2(12.41MPa)的注射压力。
预制件尺寸为外直径18.42英寸(46.79cm)，内直径9.79英寸(24.87cm)，厚1.21英寸(3.07cm)。初始重量和密度分别为9.49磅(4305克)和0.041磅/英寸3(1.14克/cc)。RTM渗透后的重量和密度分别为13.28磅(6023克)和0.057磅/英寸3(1.59克/cc)。
实例8
在所有先前实例中，切开RTM渗透后的预制件会在接近该环状预制件的中心显现小的未渗透区域(干点)。这个干点被认为是由于模型允许树脂从所有侧面灌封预制件因而从外表面朝中心渗透而生成的。高粘度沥青不允许原先包含在预制件内的空气通过树脂逸出到该零件外部。下面的实例说明：使用具有图3所述结构的模型借助于控制树脂围绕和通过预制件的流动来消除干点。
使用图2和实例3中描述的设备，挤压成形机温度分布如下：
喂入区段：
料筒460°F(238℃)蓄积器头部580°F(304℃)
料筒530°F(277℃)蓄积器580°F(304℃)
料筒565°F(296℃)放泄阀565°F(296℃)
料筒572°F(300℃)放泄管580°F(304℃)
料筒576°F(302℃)熔融物管580°F(304℃)
料筒580°F(304℃)喷嘴座580°F(304℃)
挤压成形机头部580°F(304℃)喷嘴伸出部565°F(296℃)
流动适配器580°F(304℃)喂入喉部120°F(49℃)
挤压成形机螺杆以每分钟20转旋转。模型加热到450°F(230℃)。在渗透之前，在空气循环炉中将预制件预热到752°F(400℃)。模型表面加垫片以便开放0.040英寸(1.2mm)从而允许在模型外直径处排出空气和挥发物。蓄积器充满到25％，然后在大约20至25秒内注入模腔以便有效地渗透。然后将已渗透预制件在模型中冷却15分钟使树脂固化，最后取出。在这些条件下渗透三个已经受CVD循环的非织造预制件。该盘状物的内直径为12.32英寸(31.20cm)，外直径为19.90英寸。渗透前后的数据表示如下：
表2
  系列号   RTM前的重量   RTM前的密度   RTM后的重量   RTM后的密度
  98-918-10   9.78磅(4438克)   0.041磅/英寸<sup>3</sup>(1.14克/cc)   14.14磅(6415克)   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.64克/cc)
  98-918-11   9.91磅(4496克)   0.042磅/英寸<sup>3</sup>(1.15克/cc)   14.16磅(6425克)   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.64克/cc)
  98-918-12   10.32磅(4683克)   0.044磅/英寸<sup>3</sup>(1.20克/cc)   14.38磅(6525克)   0.061磅/英寸<sup>3</sup>(1.67克/cc)
对于No.1、2和3来说在模型充填期间达到的树脂压力分别为大约1800磅/英寸2和1400磅/英寸2和1900磅/英寸2。在渗透后将每个零件剖切成16个大致相等的部分。没有发现未渗透区域。使用RTM渗透超过传统密实技术(例如CVD)的主要优点为：零件的开放多孔内侧被树脂整个充满，而不是被CVD薄层包覆。然而，在生产碳/碳复合终端产品时树脂需要被热分解以便除去任何不含碳元素。如果例如AR沥青的热塑高碳产生率树脂被用来渗透时，可提供两种热分解选择方案。如果将已渗透零件简单地加热到相当于热分解温度，树脂会重新熔化并从零件内渗出。因此一种选择方案是使用热均衡加压法(HIP)来热分解。在这种方法中需要将零件放置在容器中，而且设备本身很昂贵并需要进行许多安全考虑。另一种选择方案包括在含氧气氛中将热脂渗透过的零件加热到低于该树脂软化点的温度，通常为302°F(150℃)和464°F(240℃)之间。氧与树脂起反应，从而实质上交联该树脂。在氧与树脂起反应时，氧被吸附到该材料中，因而后者的重量增加。如果树脂吸附适当数量的氧，渗透后的零件能在不熔化树脂的情况下提高到热分解温度，并且不从零件内部渗出任何树脂。下面是成功地稳定和碳化已RTM渗透盘状物的实例。
实例9
六个非织造飞行器制动盘预制件先经受CVD密实循环，并继之以如同实例7和8中描述的RTM渗透。渗透后的结果如下：
表3
  系列号   RTM前的密度   RTM后的密度
  K93-252-411   0.049磅/英寸<sup>3</sup>(1.35克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)
  K93-252-412   0.049磅/英寸<sup>3</sup>(1.35克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)
  K93-252-419   0.049磅/英寸<sup>3</sup>(1.37克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)
  K93-252-420   0.049磅/英寸<sup>3</sup>(1.36克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)
  K93-252-427   0.049磅/英寸<sup>3</sup>(1.35克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.71克/cc)
  K93-252-428   0.049磅/英寸<sup>3</sup>(1.35克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)
在树脂渗透之后，将该盘放置在空气循环炉中，在338°F(170℃)温度下达18天时间。稳定程度用测定重量百分比的方法测得
％OMG＝[(S-R)/(R-P)]×100
得出在该零件中相关的树脂量。
此处：P为RTM渗透前的盘重量。
R为RTM渗透后的盘重量。
S为氧稳定后的盘重量。
在稳定之后该盘在氮气氛中碳化(热分解)到1650°F(900℃)温度。稳定和碳化的结果如下：
表4
  系列号   RTM前的密度   ％OMG   碳化后的密度   碳产生率(％)
  K93-252-411   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)   10.02   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.66克/cc)   85.75
  K93-252-412   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)   9.12   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.67克/cc)   85.12
  K93-252-419   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)   9.59   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.67克/cc)   85.69
  K93-252-420   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)   9.95   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.66克/cc)   85.89
  K93-252-427   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.71克/cc)   10.37   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.66克/cc)   85.60
  K93-252-428   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.71克/cc)   10.28   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.66克/cc)   85.55
碳化到1652°F(900℃)温度之后，该盘在加热工艺期间没有表示任何从盘内部渗出树脂的可见迹象。从该盘取样并用偏振光显微术观察样品。使用这种技术能表现出整个盘厚的显微结构特征。此外，通过显微观察没有明显的沥青熔化迹象。
实例10
已经过一次CVD、一次RTM、氧化稳定和碳化循环的两个盘用RTM进行又一次渗透。在这种情况下除了注料量体积为17％之外，模型装配、温度和注射参数与实例9相同。这两个盘的几何尺寸如下：内直径12.37英寸(31.42cm)，外直径19.85英寸(53.42cm)，厚1.22英寸(3.10cm)。用于这两个零件的结果列入表5。
表5用于二次循环注射RTM成型的结果
  系列号  RTM前的重量   RTM前的密度  RTM后的重量   RTM后的密度
  K98-928-6   14.16磅(6422克)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.71克/cc)   15.45磅(7010克)   0.068磅/英寸<sup>3</sup>(1.89克/cc)
  K98-928-25   14.27磅(6474克)   0.061磅/英寸<sup>3</sup>(1.70克/cc)   15.75磅(7145克)   0.067磅/英寸<sup>3</sup>(1.86克/cc)
在生产碳/碳合成物例如飞行器离合盘产品时，密实工艺通常需要利用CVD或树脂渗透继续几个月方能完成的3-5个渗透循环。利用重复的CVD渗透循环的渗透的缺点是：热解碳在可提供的开放多孔结构表面上沉积成一层。于是在渗透循环期间表面孔隙倾向于闭合。其结果是，要从CVD炉内取出该盘并进行机加工以便开放内部多孔结构。随着CVD渗透数量的增加，中间机加工步骤的有效性会降低。
实例11
11个非织造预制件通过如同实例9中描述的循环的CVD渗透、循环的RTM渗透以及碳化处理，并继之以附加的CVD渗透循环。在RTM之前、在碳化之后和在最终CVD循环之后的该盘密度如表6所示。
表6
  系列号   RTM前的密度   碳化后的密度   二次CVD后的密度
  97-918-413   0.047磅/英寸<sup>3</sup>(1.30克/cc)   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.65克/cc)   0.065磅/英寸<sup>3</sup>(1.79克/cc)
  97-919-413   0.045磅/英寸<sup>3</sup>(1.25克/cc)   0.059磅/英寸<sup>3</sup>(1.62克/cc)   0.064磅/英寸<sup>3</sup>(1.78克/cc)
  97-919-414   0.045磅/英寸<sup>3</sup>(1.24克/cc)   0.059磅/英寸<sup>3</sup>(1.62克/cc)   0.065磅/英寸<sup>3</sup>(1.79克/cc)
  97-919-415   0.045磅/英寸<sup>3</sup>(1.24克/cc)   0.059磅/英寸<sup>3</sup>(1.62克/cc)   0.064磅/英寸<sup>3</sup>(1.77克/cc)
  97-918-701   0.044磅/英寸<sup>3</sup>(1.22克/cc)   0.057磅/英寸<sup>3</sup>(1.59克/cc)   0.065磅/英寸<sup>3</sup>(1.79克/cc)
  97-918-901   0.045磅/英寸<sup>3</sup>(1.24克/cc)   0.057磅/英寸<sup>3</sup>(1.59克/cc)   0.066磅/英寸<sup>3</sup>(1.82克/cc)
  98-928-20   0.053磅/英寸<sup>3</sup>(1.47克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)   0.066磅/英寸<sup>3</sup>(1.84克/cc)
  98-928-21   0.053磅/英寸<sup>3</sup>(1.47克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)   0.066磅/英寸<sup>3</sup>(1.84克/cc)
  98-928-22   0.053磅/英寸<sup>3</sup>(1.46克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.71克/cc)   0.066磅/英寸<sup>3</sup>(1.84克/cc)
  98-928-23   0.052磅/英寸<sup>3</sup>(1.44克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)   0.066磅/英寸<sup>3</sup>(1.83克/cc)
  98-928-24   0.053磅/英寸<sup>3</sup>(1.46克/cc)   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)   0.066磅/英寸<sup>3</sup>(1.84克/cc)
在生产该非织造预制件期间，多个织物部分用传统织品处理技术针刺在一起。这种针刺方法形成通过预制件厚度并且宽100-200微米深几百微米的相当大的孔隙度。用来密实这些飞行器制动装置用非织造预制件的传统方法为CVD。每个CVD循环在所有可提供开放多孔结构表面上沉积一层厚度为2至10微米的热解碳。在织物层内部的纤维非常紧密地靠在一起(相距1至15微米)，而且这些区域在初始CVD循环期间密实十分有效。然而，针刺法形成的大孔隙结构不能一直有效地密实。在密实前该纤维非织造预制件的密度通常为0.018磅/英寸3(0.50克/cc)。表7所示数据是用于与表6所示盘尺寸相同的盘在一、二、三和四个CVD循环后测得的典型密度列表。
表7
  CVD循环   密度
  0   0.018磅/英寸<sup>3</sup>(0.50克/cc)
  1   0.043磅/英寸<sup>3</sup>(1.20克/cc)
  2   0.053磅/英寸<sup>3</sup>(1.48克/cc)
  3   0.060磅/英寸<sup>3</sup>(1.66克/cc)
  4   0.062磅/英寸<sup>3</sup>(1.72克/cc)
如表7所示，密度增加值随着每个连续的CVD循环而变小。这是由于织物区变成用CVD完全充填并且较大的多孔结构变成由CVD层包覆，但从未被完全充满。该RTM方法用碳前体树脂完全充满所有可提供的开放多孔结构以及由针刺法形成的大孔隙。当该树脂被碳化时，焦炭(碳化沥青)的密度增加而且随着相应的重量损失(碳产生率约85％，如同实例9所示)挥发物释放。该密度增加和重量损失导致总体积的减少，于是在零件内形成内部多孔结构。尽管该碳化沥青没有完全充满由针刺法形成的大多孔结构，它却在形成用于随后CVD沉积的附加内部表面区域的同时减少总的开放孔体积。如同表6数据所示，与全部为CVD密实相比较，用RTM和CVD结合的方法来密实这些非织造预制件能达到明显较高的最终密度。
在预制件用中间相沥青树脂渗透之后，它们能经受后继处理以便将有机树脂转换成碳，该碳在碳/碳复合材料中形成碳母体的一部分。渗透后的盘经受通常被称作氧化稳定的处理。该沥青是热塑塑料，而且在加热到足以碳化该材料的温度情况下该树脂会重熔、鼓胀和发泡。零件放置在空气循环炉内，炉温在150和240℃之间，通常为170℃。氧与树脂起反应并交联该树脂，从而实质上将其转变成热固性塑料。这种处理被用来制造沥青基碳纤维。该处理的完成情况依据质量增加来测定，这是因为氧与该沥青起反应而被吸附从而加大总体重量。在只是测定沥青的重量增加(处理后零件重量-处理前零件重量)时，8.5％的氧质量增加水平就足够了。具有8％至12％之间水平的OMG(氧质量增加)零件已被成功地碳化。
在稳定之后，该零件能在加热到高于650℃(1202°F)的惰性气氛炉中进行碳化。碳化通常在900℃(1652°F)实施。碳化之后，该零件可在进一步处理前进行热处理(石墨化)，但这一步骤不是需要的。典型的热处理温度在1600-2500℃(2912-4532°F)范围内，而且1800℃(3272°F)为优选值。然后零件能用高碳产生率、高粘度树脂的CVD或RTM进行密实，如同上述多个实例中所示。
应该理解，前文的描述和在此表示的多个专门实施例只是描述本发明的最佳模式及其原理，熟悉本技术的人员能在不超越本发明精神和范围的情况下方便地作出多种变型和添加，因此本发明仅受所述附权利要求的范围限制。

Claims (23)

1. 一种树脂或沥青快速传递模塑设备，它包括：
用来熔化和传送树脂或沥青的装置(4)；
模型(10)，它安排成因而将树脂或沥青从熔化和传送装置(4)传递到模型(10)，模型(10)含有突起装置，该突起装置用来产生一压力梯度以及从模型(10)内部区域朝向模型(10)外部区域的树脂或沥青流，以及
布置在该模型处以便在将树脂或沥青注射到模型(10)期间夹住该模型的装置(12)。
其特征在于，所述突起装置包括具有倾斜壁(30，31)的模腔(29)以及在模腔(19)外部区域处具有径向伸出环状突起(20，21)的模腔(19)之一。
2. 如权利要求1所述的树脂或沥青快速传递模塑设备，其还包括布置在熔化和传送装置(4)以及模型(10)之间的蓄积器(8)。
3. 如权利要求2所述的树脂或沥青快速传递模塑设备，其特征在于，蓄积器(8)是液压驱动的活塞蓄积器(8)。
4. 如权利要求1所述的树脂或沥青快速传递模塑设备，其特征在于，熔化和传送装置(4)为单螺杆挤压成形机、双螺杆挤压成形机、排气的双螺杆挤压成形机和往复螺杆挤压成形机之一。
5. 如权利要求1所述的树脂或沥青快速传递模塑设备，其特征在于，模型(10)包括：
上半模(42)；
下半模(41)，它与上半模(42)相对因而上半模(42)与下半模(41)形成一模腔(35)；
至少一浇口(36)，它布置在上半模(42)或下半模(41)上；
阀，其中该阀能让树脂或沥青进入在上半模(42)或下半模(41)内的浇口(36)；以及
用来为模型(10)排气和提供真空之一的结构(39，44)。
6. 如权利要求1所述的树脂或沥青快速传递模塑设备，其特征在于，突起装置的至少一个具有排气孔(38a，38b，38c，38d；43a，44b，44c，44d)和真空孔之一。
7. 如权利要求1所述的树脂或沥青快速传递模塑设备，其特征在于，模型还包括外部排气孔(39，44)，该外部排气孔被引导到与突起装置相连的排气孔(38a，38b，38c，38d；43a，44b，44c，44d)。
8. 如权利要求1所述的树脂或沥青快速传递模塑设备，其特征在于，突起装置包括在模腔(19)的外部区域处具有径向伸出环状突起(20，21)的模腔(19)。
9. 一种模型的树脂或沥青快速传递模塑方法，它包括：
将多孔预制件(1，18，28，47，48，55，56)放入模型(10)，该预制件在要被传送到该预制件内的树脂或沥青熔点以上的温度下，而且用来夹住该模型的装置(12)能使模型(10)保持其构形；
将高熔点、高粘度熔融树脂或沥青注射到模型(10)内以便借助于模型(10)内部的压力梯度产生均匀浸渍的预制件(1，18，28，47，48，55，56)；
允许所述树脂冷却到该熔点以下；以及
从模型(10)取出已浸渍的预制件(1，18，28，47，48，55，56)。
其特征在于，所述压力梯度由以下产生：
(A)模型(10)内的模腔(29)，它具有倾斜顶壁(31)以及倾斜底壁(30)，顶壁(31)和底壁(30)的方向在该模腔接近模型(10)的周边时向内进入模腔(29)，从而产生该压力梯度；或者
(B)在模腔(29，19)内的环状突起(20，21)。
10. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，模型(10)包括：
上半模(42)；
下半模(41)，它与上半模(42)相对因而上半模(42)与下半模(41)形成模腔(35)；
至少一浇口(36)，它布置在上半模(42)或下半模(41)内；
阀，其中该阀能让树脂或沥青进入浇口(36)；以及
用来为模型(10)提供排气和/或真空的结构(39，44)。
11. 如权利要求10所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，预制件(1，18，28，47，48，55，56)是纤维预制件、碳纤维预制件、非织造预制件、任何带粘接剂的纤维预制件、已硬化预制件或发泡预制件之一。
12. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，预制件(1，18，28，47，48，55，56)是多孔的碳实体。
13. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，预制件(1，18，28，47，48，55，56)被加热到大约290-425℃之间的温度。
14. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，模型(10)被加热到大约138-310℃之间的温度。
15. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，该树脂或沥青是合成沥青、煤焦油沥青、石油沥青、中间相沥青、高碳产生率热固树脂或其组合。
16. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，多个预制件(47，48；55，56)被放置在单独模型(10)中。
17. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其还包括：
借助于在有含氧气体存在的情况下以大约150-250℃的温度加热该已浸渍预制件来稳定已浸渍预制件(1，18，28，47，48，55，56)。
18. 如权利要求17所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其还包括，已氧化和浸渍的预制件(1，18，28，47，48，55，56)进行碳化。
19. 如权利要求18所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其还包括，加热到大约1600-2500℃的温度以便石墨化已碳化和浸渍预制件(1，18，28，47，48，55，56)。
20. 如权利要求19所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，已石墨化预制件(1，18，28，47，48，55，56)进一步用化学气相沉积/化学气相渗透或树脂传递模塑法密实。
21. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，在注射熔融树脂或沥青之前为模型(10)提供真空。
22. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，模型(10)包括具有倾斜顶壁(31)和倾斜底壁(30)的模腔(29)，顶壁(31)和底壁(30)的倾斜方向在该模腔接近所述模型(10)的周边时向内进入所述模腔(29)。
23. 如权利要求9所述的树脂或沥青快速传递模塑方法，其特征在于，模型(10)构造有进入所述模腔(29，19)以便产生该压力梯度的环状突起(20，21)。
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