按定制纤维配接工艺 制备摩擦式纤维复合构件 本发明涉及一种摩擦式纤维复合构件，特别是制动盘或离合器盘形式的摩擦式纤维复合构件。
从DE 19957906 A1中得知一种呈网格状形纤维复合构件。在该已知的纤维复合构件中主要涉及一种网格，在其交叉点处具有相同的或基本相同的材料强度或具有与其相邻的截面相同的或基本相同的纤维体含量。由此其优点是该网格在其整个表面上有相同的强度。
由DE.Z.：“Beanspruchungsgerechte Preformen fürFaserverbund-Bauteile”，Institut für Polymerforschung Dresdene.V.，Mrz 1998的展望中提出一种符合应力要求的可用定制纤维配接(Tailored Fiber Placement)技术(TFP技术)制备的适于纤维复合构件的预成型法。利用这种工艺可将增强纤维以各种各样图案配置于纺织半成品或箔中。通过多次叠合可得到各种材料厚度。这样可制备能深拉的和/或三维增强的预成型件，将该预成型件嵌入塑料基体中进行再处理，以通过渗入和硬化得到CFK(碳纤维增强塑料)构件。
DE 19932274 A1描述了一种纤维复合材料和其制备方法。该纤维复合材料含热固性塑料基体和增强纤维，该增强纤维在其内部对热固性塑料基体有高的粘附性，而在其外部对热固性塑料基体无粘附性。通过这种措施可使该CFK纤维复合材料的外区比其内区吸收更多的应力。
为连续地和针对构件或工艺制备纤维-塑料-复合材料，DE10005202 A1提出将纤维束置于板部件上并通过任意取向的缝合固定。
通过编织或缝制制备预成型件可参阅：US.Z，：BROSLUS，D.，CLARKE，S.，：Textile Preforming Techniques for Low CostStructural Composites.见于：Advanced Composite Materials NewDevelopments and Applicated Conference Proceeding，Detroit，Michigan，USA，Sept.30-Okt.3，1991，其中该预成型件可以具有各向异性。
由DE 19716666 A1已知一种符合应力要求的增强构件，其具有用以制备CFK构件的由含以直线或径向或以其它方向分布的增强纤维的织物、非织物或箔组成的基础材料。
由DE 19608127 A1已知一种适于汽车底盘体系地CFK纤维复合构件。
US 5871604所述的适于航天或飞机制造的纤维增强复合构件含在基体中的短纤维和作为增强材料的较长纤维。
EP 0806285 A1描述了一种用于制备含内层和不同外层的C/C复合体的方法。
本发明的目的在于进一步开发一种摩擦式纤维复合构件，特别是制动盘或离合器盘形式的摩擦式纤维复合构件，其制备工艺价廉并能承受高的负荷。也提供一种可用较少步骤制备的摩擦式纤维复合构件。
按照本发明，通过应用至少一种含至少一种具有符合应力要求的纤维配置的TFP预成型件的结构的一种摩擦式纤维复合构件，特别是制动盘或离合器盘形式的摩擦式纤维复合构件基本上实现了此目的，其中所述结构通过自气相的材料沉积而被稳定和/或提供以单体和/或聚合物，并经硬化和热解，特别是TFP预成型件的区域在其纤维体积和/或其配置密度和/或其纤维长度和/或其纤维配置方向上彼此不同。
代替应用由至少一种单体和/或聚合物所构成的基体和接着的硬化和热解，也可通过如利用CDV(化学汽相沉积)和/或CVI(化学汽相渗入)法的气相材料沉积如碳沉积来实现结构的稳定性。同样也可采用SiC沉积或B4C沉积或Si沉积。应用如CVI和随后用单体和/或聚合物渗入并接着硬化步骤和热解步骤也可进行预稳定。
按照本发明，以摩擦式纤维复合构件形式提供了纤维增强的碳体或陶瓷体如C/C、C/SiC或CMC(陶瓷基体复合材料)。
特别是所述纤维复合构件可由至少一种预成型件与束状物和/或织物和/或短纤维和/或毡和/或非织物的复合物构成，这些材料由碳组成或是可变换成碳或由碳纤维或陶瓷纤维组成。
也可通过加工外层提供纤维复合构件，其外层在层平面中有相同的纤维取向。
为能以所需程度吸收摩擦力，将提出如下构建纤维复合构件，即在外区配置短纤维。该短纤维特别是具有平均长度为1mm-20mm的短纤维。该短纤维例如可呈松散物料或非织物状施加到TFP预成形件上。在松散物料情况下，在模腔中将短纤维施加到TFP预成形件上，再经压制和硬化。
本发明的一种扩展是使TFP预成形件上有整体形成的开口和/或通道，该开口和/或通道在密实期间以损失或不损失的芯体而稳定或呈所需形状。该相应形成的通道可用作冷却通道。
该纤维复合构件还可由多个单一预成型件相互缝合组合而成。
为达三维增强，可将增强纤维如碳纤维与预成型件相缝合，该增强纤维占总纤维的1％-40％，特别是总纤维的5％-20％。
该纤维复合构件也可由一个或多个预成型件制备和/或应用具有相互不等线数的粗纱。也可利用不同长度拉伸和/或面拉伸的粗纱。
特别是本发明的特征基本在于，所述结构具有至少两个TFP预成型件，该预成型件优选呈相同或基本相同构造。需要时该结构也可含具有配有芯体的凹槽和/或通道，其与同样作为TFP预成型件形成的桥形接片邻接，其中该增强纤维优选呈交叉，优选呈±45°角交叉配置。
在可由一层或多层叠置层构成的TFP预成型件中的增强纤维特别应如此配置，即在圆盘形状下该经热解的预成型件在其径向尺寸上相应于或基本相应于预成型件的径向尺寸。
各层的增强纤维与基层缝合，该基层可基于碳、芳族聚酰胺纤维和/或陶瓷纤维和/或聚合物纤维制成。
即使当主要目的在于在一些摩擦体如离合器盘中应用足够厚的单一的TFP预成型件时，所述结构也可包括二个或更多个TFP预成型件，这些TFP预成型件应基本上具有相同的或基本相同的构造。
只要TFP预成型件多于一层，则应选择这样的数目或构成，即尤其相对于其中心对称产生TFP预成型件的镜像对称构造，以在成品构件中排除翘曲或变形。
如果采用多层，则其中至少一些在层平面中应具有相互不一致的纤维取向。这样，例如在邻接中心对称平面的内层中可按径向配置纤维，反之，邻近层具有如呈圆环形配置的纤维。也可考虑渐开线形分布或切线形分布。切线形分布即纤维呈切线从预成型件的中心内部开口开始延伸。
在制动盘的结构情况下，该至少两个相互间隔的TFP预成型件通过由增强纤维形成的桥形接片连接。
特别是在如通过螺钉、螺栓或啮合进行导力的区域中的TFP预成型件可具有含增强纤维的增厚。在该增厚中增强纤维可例如呈交叉配置。
此外还独立地提出本发明的一种扩展方案，即特别适于制动盘的特定的TFP预成型件在其自由外表面具有非织物层。
本发明的更详细的优点和特征不仅由以单个和/或组合引出特征的权利要求，而且也可由对图引出的实施例的下列描述来表明。
附图简介：
图1示出适于离合器盘的特定预成型件的略图，
图2示出由预成型件制造的特定适于制动盘的三维结构，
图3示出适于离合器盘的特定的预成型件的略图，
图4示出适于制动盘的特定的预成型件的略图，
图5示出特定适于制动盘的由多个预成型件组合成的结构的截面图，
图6示出图5结构的A向视图，和
图7示出由多层组成的TFP预成型件的主要构造。
在这些图中给出由其可制造制动盘或离合器盘形状的纤维复合构件的纯示例性的预成型件。为此，下面要详细说明的成型件经成型、在压力下和同时的热处理下经硬化并随后在如500-1450℃，特别是900-1200℃的温度下碳化，且需要时在500-3000℃，特别是1800-2500℃的温度下石墨化。
在此独立地还提出，在热解后，需要时在第一次加工后对该结构进行硅化，其中特别在约1450℃-约1850℃的温度下实施毛细工艺。
该成型件本身在成型前或成型后可用单体或特别是聚合物如树脂进行浸渍。代替和补充单体或聚合物，也可利用热塑性聚合物纤维来形成基体。
预成型件本身可按定制纤维配接工艺制备(TFP工艺)制备。为此将纤维缝合在基础材料如织物半成品或箔上，在所需的程度内该要缝合的纤维由增强纤维组成或含增强纤维。作为增强纤维示例性的可采用由天然纤维、玻璃纤维、芳族聚酰胺纤维、碳纤维或陶瓷纤维制成的粗纱条或纤维带。
为使由一个或多个预成型件制造的纤维复合体具有符合应力要求的相取向，该缝合到预成型件上的纤维或纤维条可具有所需的取向。
所述基础材料，也称基层，特别是为碳基，也可由芳族聚酰胺纤维和/或塑料纤维构成。
如果在相应的基层上施加多层增强纤锥，则其基本上各自与该基层缝合。作为缝合线可采用聚合物线或碳线。如果TFP预成型件或由其制造的构件在构件厚度方向上应具有所需的导热性，则碳线是优选的。
对该基层要说明的是，在该预成型件的继续加工时该基层可保持与各层的缝合。也可在继续加工前使基层移开。
如在图1的TFP预成型件10所示，增强纤维呈径向(纤维12)、渐开线形(纤维14)或切线(纤维16)分布，其中TFP预成型件10的基础结构通过螺旋形或圆形分布的纤维16形成。也存在一种可能，即渐开线形分布的纤维呈交叉(区域20)，以在所需程度上改变TFP预成型件10上的纤维体积含量或配置密度，由此确保TFP预成型件10的所需的应力取向的形成。
借助径向分布的纤维12可吸收离心力，借助切线分布的纤维16可吸收摩擦力。以渐开线形分布的纤维14、20不仅针对离心力而且还针对摩擦力。
含附加增强的TFP预成型件10可形成于中心，该增强通过高纤维密度或高纤维体积含量形成。也可形成附加的桥形接片结构(区域24)。
具有所需结构的区域22、24通过合适的缝合技术与TFP预成型件10的基础材料或所存在的纤维缝合。
图2中是两个TFP预成型件26、28经具有所需几何形状的桥形接片30、32、34相互连结，其中TFP预成型件26、28相应于先前所述的说明在其所用纤维的纤维体积、配置密度和/或长度方面可发生变化，以达到特定于应力的特性。
桥形接片30、32、34本身可同样是预成型件，但并非绝对必要，当然优选需按TFP工艺制造。
按图3-6说明本发明的另一些突出特征。也给出用于制造摩擦构件如离合器盘和/或制动盘的本发明要强调的方法步骤。
图3示出预成型件36，它由多层38、40、42、44构成。其中第一层38以已知的方式如缝合施加于基层46上，在继续加工时可利用或也可移开该层。该基层包括例如织物、非织物或类似物。安置在基层46上的第一层38具有纤维的径向分布。第二层30呈纤维的圆形排列。第三层32包括纤维的径向分布，第四层44呈纤维的圆形分布。碳纤维的配制如此选择，即在纤维径向取向时，在盘或层38和42的整个圆面上实现均衡和均匀分布。
预成型件36的尺寸为外径约145mm和内径(孔)约60mm。厚度可约为2.8mm。
随后，相应构成的预成型件36，即三个相应的TFP预成型件36用酚醛树脂体系在真空工艺中浸渍。其后借助于热压机在如14bar的压力和约130℃温度下将该三个预成型件36密实成坯体。在约1200℃的热解工艺中使硬化的树脂转化成碳。
该如此所得的C/C体的密度约为1.38g/m3，孔隙度约为24％。在热解期间，该构件在厚度方向由坯体的6.9mm收缩到6.15mm。由于纤维排列保持了内径和外径的尺寸。
该C/C体在最后硅化前经预加工成147mm×64mm×5.2mm的尺寸。这里要考虑对其后的摩擦面进行的精加工，以使在盘的两面上该圆形的纤维取向均起作用。硅化在达1700℃下借助于毛细工艺进行。
在转化成C/C-SiC材料期间的硅吸收为75重量％。该材料的密度为2.03g/m3，开口孔隙度为2.5％。
作为最后一个加工步骤，进行整理加工和引入紧固钻孔。因为基于特定的纤维取向，通常的机械检查分析是不适用的，所以要进行离心式实验。
在内径上的四个接收钻孔的固定和无间隙的安装情况下，破裂转数达26700min-1。裂隙在接收钻孔上发生。
用同样尺寸的基于织物的盘的对比实验表明，破裂转数为19500min-1。所进行的FE(有限元)分析也表明，在负荷下有明显均衡的压力分布和变形。
该所达到的优点除有较高的可负荷性外还在制备中产生明显少量的边角料。在制备时的成型稳定性使得可加工出近似干净的形状。此外，还可改变在摩擦区的纤维取向以适于摩擦特性。
由三个均按图3制成的预成型件如此构成的离合器盘的最终尺寸为145mm×60mm×2.8mm。其中该预成型件相叠排列，以形成坯件，以致经最终加工后外层具有圆形的纤维取向。
按照图4-6，阐明了本发明的有内排风的制动盘的原理，其最终尺寸约为外径310mm、内径140mm和厚28mm。
同样，在图4中所示并标号为48的TFP预成型件也可用作制动盘的基本组件或增强件。在制成的制动盘中构成摩擦环的预成型件48由单层50、52、54、56构成，这些层均按TFP工艺相互连结如缝合，其中最下层50从基层58开始，该层可存在于继续加工步骤中。但这并非绝对必要。大多情况下事先移开基层58。
层50、52、54和56相对于增强纤维的配置方向是如此设计的，即外层50、56含径向分布的增强纤维，内层52、54含渐开线分布的增强纤维或由它们构成。
所述制动盘具有两个由预成型件制成并经桥形接片间隔的摩擦环，该环具有相应于预成形件48的基本结构。
在图4和5中，为制造内排风的制动盘，将外成型件60经桥形接片64、66与内成型件42相接合如特别是缝合。其中每个预成型件60、62的结构如所提到的相应于预成型件48的结构，其限制在于，下成型件62(即由其构成制动盘的下摩擦层的下预成型件)具有在内侧分布的增厚层68，在该增厚层68中纤维互成约45°角交叉配置。各桥形接片64、66在其通过增厚层68形成的内边缘区具有相应的切口70，以形状合适地置于下预成型件62上。
桥形接片64、66(如图4截面所示)也同样可由交叉纤维结构构成，其中纤维以约45°角相交。桥形接片64、66缝合为预成型件纤维体积为48％。此外，从图4和5看出，在预成型件60、62的外面上安置多层如非织物层72、74。所有这些，即预成型件60、62，桥形接片64、66以及非织物层72、74经缝合成整块结构并构成其后的制动盘。
然后将这样形成的整块结构在含酚醛树脂的树脂浴中浸渍。接着借助于应力装置在桥形接片之间(实施例12)引入基于高充填聚合物的所丢失的芯体并用应力带固定。接着将相应制备的型体在约4bar压力和约120℃温度下热压。在其后进行的约250℃的热处理期间将芯体去除。接着在约1000℃下热解，事先用可回收使用的石墨芯体稳定冷却通道。
值得注意的是，可将可由C单丝和含C填料构成的非织物72、74在浸渍之前或之后施加到TFP预成型件60、62的外表面上。
热解后以程度为0.5-1mm进行首次加工以及自由旋转由预成型件62和非织物74构成的下摩擦盘。
经热解的结构的硅化在约1500℃温度下以毛细工艺进行。
如此制备的制动盘在硅化期间吸收50重量％的硅。该制动盘的密度约为1.96g/cm3，开口孔隙度约为4.5％。
在图7中再次给出纯原理性的TFP预成型件76的截面图，以说明对其中心对称面78应是相同的结构。这样，层80、82邻接中心对称面78的每一面，层80、82的纤维呈同样的取向A。邻接的外层84、86虽然与层80、82有不一致的取向，但其本身具有相同的层取向，如以标号B所表示的。
在层80、82中纤维可呈径向取向。在外层84、86可呈圆形、渐开线形或切线分布。
通过与此有关的措施或与中心对称面78的对称可一直确保该制成的摩擦构件是无变形的和无翘曲的。
对称也可如此达到，即直接获得所需的相同纤维取向而在一定程度内加工外层。
作为摩擦构件不仅有制动盘和离合器盘，而且作为实例还可提及摩擦衬片、滑动衬片、密封环和滑环、滑套筒、滑块、滑动轴承、球轴承和滚柱轴承。