刹车盘复合材料中织物盘料的制造 本发明涉及用复合材料制造刹车盘，特别是关于其中纤维盘料(fiberpreforms)的制备。本发明的应用领域主要在于由热结构复合材料制造的刹车盘。典型的用于制造刹车盘的热结构复合材料是碳-碳或“C-C”复合材料，这种材料是通过向碳纤维盘料中填充石墨填料使之强化而形成的，有时最后还要进行硅化处理。其它适合制作刹车盘的复合材料还有陶瓷填充复合材料，或“CMCs”，它是通过向耐高温纤维(碳纤维或陶瓷纤维)盘料中填充陶瓷填料使之强化而形成的，比如填充碳硅化合物或“C-SiC”化合物。
使用热结构复合材料，特别是C-C复合材料制造刹车盘，尤其是飞机和陆地车辆的多片刹车盘这一点早已为人们所熟知，例如F1赛车上就是使用的这种刹车盘。
制造这种刹车盘的技术通常包括制造环状纤维盘料和向其中填充石墨填料，石墨填料充满纤维盘料的微孔并使之强化，
盘料通常是用相互迭放的纤维织物层构成，层与层之间互相联结，通常是缝合在一起的，从而为盘料提供必要的凝聚力以避免在使用中盘片脱层。典型地纤维织物层是多向两维层，至少部分地由连续的纤维制成，例如，通过纺织、编织或针织由连续或不连续的纤维组成的丝线，或通过把沿不同方向放置的许多单方向绳索股缝联在一起而制成。纤维网片或毡片可以联在上述不连续的纤维上，这可以通过上述层间Z方向(相对于层面的横截面方向)缝接时很容易地做到。纤维网或毡片还起着重复利用碎纤维的作用，在剪裁纤维织物以便制作环状盘料时就会产生碎纤维。
关于由碎片制成的纤维网或毡片的利用在文件FR-A-2626294和EP-A-0530741中有专门的描述。根据后一文件，毡片层可以夹在盘料核心的纤维织物层之间，或加在核心表面上以便构成盘料表层面，根据设计，该表面层将在填充过程中或填充之后通过机加工予以去除。
盘料的填充可以通过化学蒸汽渗透法或液体进行，这两种技术都以为人们所熟知。化学蒸汽渗透法包括以下步骤，将所要渗透的盘料材料放入一个装有填充母汽的密闭容器之中，在所控制的温度和压力条件下，母气在盘料中扩散，并通过其自身化学成分的反应或降解在纤维上形成填充材料的沉积。当沉积首先在盘料的表面维孔中发生，并趋于使微孔过早地封闭时，就必须进行一次或多次表面机加工或“去皮”处理，以便剥落微孔表面，使得填充过程得以继续直至盘料核心。
液体填充法包括以下过程，首先向盘料中注入液体状的填料母体，例如一种树脂，然后将母体转化，转化过程通常通过加热办法来实现。需要几个连续的注入周期以便达到所需要的填充度。将化学蒸汽渗透技术和液体注入技术结合起来使用也是可行的。
与金属盘片相比，由热结构复合材料，特别是C-C复合材料制成的刹车盘具有极好的摩擦学特性和低磨损，同时大大地降低了重量。这种刹车盘也很好地适应了飞机和F1赛车上的严酷条件。
热结构复合材料刹车盘的用途正逐渐一一扩展到其它类型的车辆，例如火车、重型卡车、客车、工交车辆或私人轿车，以解决实际中所遇到的特殊问题。
因此，用类似制造飞机刹车盘的方法制成的C-C复合材料刹车盘用于顶级私人轿车，其申请所进行的试验表明，这种应用有时会导致不必要的振动增大，并常常会使刹车扭矩不规则地增大。在那些刹车盘中，盘料是由缝合在一起的片基织物层制成，这些纺织物是由大量的预先缝制在一起的沿不同方向排列(例如三股绳索沿0°、+60°、-60°方向)的绳索股制成的。很可能正是由于片基织物的使用，造成了与刹车板相接触的刹车盘摩擦面的非正常磨损的增大，这种现象在刹车盘的整个使用期内会不断恶化并产生振动。
本发明的目的之一就是提出了一种制造纤维盘料的方法，按照该方法制造的复合材料刹车盘不存在上述缺陷。
本发明的一个特别方面在于，提出了一种能够使得由复合材料制成的刹车盘应用于工业和私人车辆，而不会产生不必要的振动和无法接受的刹车状态，正常地传递扭矩而不会产生非正常的加速磨损的方法。
本发明的另一方面在于此种性能是以一种经济的价格获得的，既可以用于大批量工业生产，也可以用于私人汽车。
这些方面的性能是通过这样一种结构获得的，该结构是由相互叠置并联结在一起的纤维层构成的，该结构层至少包括部分连续的纤维和至少一个毡片层；这种方法中结构纤维层用于形成刹车盘核心的纤维增强体的至少一个第一盘料部分，而在用于构成刹车盘或刹车盘的摩擦部分的纤维增强体的每一个盘料部分上都带有一个毡片，至少在邻近摩擦面的部分上是这样。
这里所用的术语“至少部分地由连续纤维制成的结构纤维层”，是指由连续丝线纺织、编织或针织而成的纤维层制成；或由一簇单向的连续绳索、编织带、或丝线、绳索、带子制成的纤维层，而这些材料本身则是由连续或不连续的纤维制成的；或大量的这种材料沿不同方向彼此叠放并通过比如预先缝制的方法连接在一起；或者确实是这样一个通过比如缝联的方法连接在一个纤维网上的纤维层。由这种结构纤维层构成的盘料部分，使得刹车盘的核心具有能够保证刹车盘不断裂或损坏所需要的机械性能，特别是在与核心结构上机械相连以防止核心转动的零件处。结构纤维层可以平行于刹车盘表面平面放置，也可以绕刹车盘的轴线安装。如果是环绕安装的，相应于刹车盘核心的盘料部分可以通过切割一个套状零件来获得，而套状零件的制造是通过将结构纤维织物片卷绕在一个芯轴上层层相叠来实现的。
在刹车盘上摩擦部分的纤维增强体的盘料上，至少其一部分或每一部分是由毡构成的，该毡片层至少有一个相对较厚的层具有一个低的体积密度，比如低于20％，这里的体积密度是指毡片的外观体积中纤维所实际占有的体积。这里的术语“相对较厚的层”，是指在所制作的盘料中毡片层的厚度不小于1mm.。在填充之后，摩擦面的摩擦边上的主要成分是由复合填充材料构成的。典型情况是，摩擦面附近的摩擦边上，纤维占10％至15％的体积密度，填充材料占65％至75％的体积密度，15％至20％的体积密度由残留未阻塞的微孔所占有。
通过使用这种结构，特别是通过摩擦面附近带有毡片的结构，与缝制结构纤维层构成的盘料相比，即使在摩擦部分，刹车过程中不会产生不必要的振动。这种振动可能是由于长期使用过程中造成的摩擦面不均匀磨损所至。用毡片摩擦部分，也就是无定向的短纤维取代结构纤维层，在加上主要成分由填料所占据，就提高了各向异性程度并降低了硬度，从而避免了不规则磨损的出现，并且增大了阻尼。
此外，还可以发现刹车扭矩也变得非常正常。还有，所获得的性能在湿环境下和在干环境下一样好。
可以设想，毡片不仅可以用于刹车盘摩擦部分上的盘料或该盘料的每一部分，而且可以做成更好的薄层，夹在刹车盘核心的第一盘料部分上的结构纤维层之间。当结构纤维层相对于刹车盘面平行放置时，可以产生一定量的轴线方向的弹性，从而增加吸收振动的能力。
构成对应于刹车盘核心盘料上第一部分的层之间最好通过缝制联在一起。构成对应于刹车盘摩擦部分盘料上的至少一部分或每一部分的毡片，可以做成一个单一层，或由多层相叠同样通过缝制相互连接。毡片和盘料的第一部分之间也可以通过缝制联在一起。应该明白在这样的情况下，毡片不应缝制得过紧，以防止纤维的体积密度超过所需要的最大限度。
环状刹车盘盘料可以由平面纤维层制成，这可以通过把预先裁成环状的纤维层相互叠放并连接在一起来实现，也可以通过把没有任何中心孔的环状纤维层相互叠放并连接在一起，然后在相互叠放并连接在一起的纤维层上裁出盘料。也可以通过将相互层叠并连接在一起的纤维织物卷绕在一起来制造与刹车盘核心相对应的盘料部分，而与刹车盘摩擦部分相对应的盘料或每一部分盘料上就必须通过把平面的纤维层相互叠放并连接在一起来制造了。
本发明的另一方面提出了一种用复合材料制造刹车盘的方法，这种材料是通过填充上述方法所制成的盘料而得到的。
有一种带有一个中心转子刹车盘和两个端面定子刹车盘的刹车装置，其中的中心转子刹车盘带有两个方向相反的摩擦面，而每个端面定子刹车盘都带有一个摩擦面，例如工业车辆刹车盘(重型卡车或客车)。要制造这种刹车盘，就必须制造四个基本相同的盘料零件，每个零件都带有一个与核心部分相对应的第一部分和一个与摩擦部分相对应的第二部分，盘料都经过了填充，转子盘是通过将两个填充过了的盘料上与摩擦面相反的面靠在一起制成的。这就是说转子盘和定子盘只是在填充之后才有所区别。也可以想象在填充前将两个盘料零件组装在一起，以便获得转子盘盘料，在这种情况下转子盘盘料和定子盘盘料在制造出来后填充前就不同。
本发明的另一方面提出了使用上述方法制备的盘料制造刹车盘。
以下描述了本发明的具体装置，但本发明并不局限于此。附图说明如下：
图1展示了本发明的一种具体装置中制造一种刹车盘环状盘料的连续步骤；
图2展示了由图1变化而来的制造一种刹车盘环状盘料的连续步骤；
图3展示了本发明的另一种具体装置中，制造刹车盘盘料的一部分的具体步骤；
图4的曲线展示了使用本发明的刹车盘和先前工艺的刹车盘，在刹车过程中，作为时间函数的扭矩的变化过程；
图5的条状图展示了使用本发明的刹车盘和先前工艺的刹车盘，在刹车过程中的磨损情况；
图6展示了本发明的具体方法中，制造重型卡车刹车盘的连续步骤。
下面说明涉及了用碳纤维或碳母体制备盘料，以便制造C-C复合材料的刹车盘。但是应该明白，本发明也可以用于非C-C材料的复合材料的刹车盘，特别是具有增强纤维和(或)填充材料的复合材料，其中至少一部分是由陶瓷制造的，例如至少一部分是SiC，或硅化的C-C复合材料。
用于刹车盘的环状盘料具有两个摩擦面，例如一种设计用于一种机动车刹车板的刹车盘，就像大批量生产的私人轿车。该环状盘料的制造过程如下(图1)。
用于制造与刹车盘核心相对应的盘料部分的第一种材料，是一块由碳纤维或碳母体制成的片基织物10，碳母体可以是比如，预氧化过的聚丙烯腈(PAN)，树脂，人造纤维，或一种酚化合物。通过碳母体纤维制造盘料时，通过加热碳母体被转化，这一过程最好在盘料准备好之后和填充之前进行。显而易见，可以使用碳纤维通过许多不同的母体来制造盘料。
片基织物10是由至少一部分连续材料制成的多方向两维织物。该织物可以是纺织、编织、针织的，可以是一束单方向的，或像图示例子中那样，由许多单方向的丝束、绳束、或编织带束相互层叠而制成。这些束按不同方向相互层叠放置，并缝联在一起。本例子中，片基织物可以由三个单方向的束相对于织物上的一条轴线彼此成0°、+60°、-60°，有时片状织物可以通过预先缝在织物上的细纤维网来完善。
刹车盘的第一环状盘料部分的制造，是将层板12叠放在平铺的片基织物10上，并通过缝制把它们连接在一起。许多薄毡层14可以夹在每一对层板12之间。这里所用的术语“薄毡层”是指毡层的单位面积密度低于500g/m2，例如介于200g/m2至300g/m2之间，而纤维密度低于20％，比如在松弛状态下(因缝制而张紧之前)介于7％至14％之间。缝制过程是靠排成针板的针头20来进行的，层板放在上面铺有毡垫24的支承板22上，这样可以保证针头在不受损坏的情况下穿透层板。针头板的长度要与所要制造的环状盘料部分的内外环表面之间的距离相吻合。每放上一片层板12或层14，就要环绕缝制一次。为此，就像文件FR-A-2626294中所描述的那样，针头20在支承板22上环绕盘料部分轴线缝制了完整的一周，通过这周缝制使得可以将一定数量的针头垂直刺入所准备好的盘料部分的表面。旋转运动可以通过驱动针头或支承板绕盘料的轴线转动来实现。在每个针头行程中，缝制的深度可以保持大致不变，也可以改变，比如略微增加一点，这可以通过随着盘料部分的增厚而逐步降低支承22的高低来实现。一旦达到了与所要制造的刹车盘核心大致相同的盘料厚度，在最后一块层板被缝上之后，也就完成了一定数量的缝制行程，因此每单位体积所获得的缝制密度也大致相同。以单位体积大致恒定的缝制密度制备盘料的方法，在文件FR-A-2584106和FR-A-2726013中都有描述。
用上述方法制成的盘料部分30最终还要在其两面上各覆上一层一定厚度的毡片，毡片的厚度是所要制造的刹车盘的摩擦部分所需厚度的函数。这样，仍然保留盘料部分30在原处，其上面铺上一层毡层16，然后通过上述环绕缝制的方式将它们组装在一起。将装有毡层16的盘料部分30从支承20和毡垫24上取下，上下翻转重新放回毡垫24上，以便像缝制毡层16那样将毡层18缝制在另一面上。
稍加改变，毡层16、18也可以由两层或多层逐层缝制到盘料部分30上来代替。也可以使用一层或多层毡片仅仅用来构成与刹车盘摩擦部分相对应的盘料部分，例如对于与层板12相类似的层板。在这种情况下，毡片层被安装在邻近在外表面(摩擦面)处。在各种情况下，与刹车盘上摩擦部分相对应的每一盘料部分都带有一个相对较厚的毡片层。这里所使用的术语“较厚的毡片层”是指层的单位面积质量大于500g/m2，例如介于600g/m2至800g/m2之间，而纤维密度低于20％，比如在松弛状态下介于15％至20％之间。这大致相当于缝制后的厚度不小于1mm，或者松弛状态下的厚度不小于数毫米，例如不小于3mm。
具有毡层16和18的盘料部分30是通过冲床冲压而成的，以便得到用于制造刹车盘的环状部分32,32是由与刹车盘核心相对应的第一部分321和与刹车盘摩擦部分相对应的两个侧面部分322和323构成的；321是由彼此叠放的层板12和层14缝合在一起制成的，322和323是由毡层16和18形成的。
根据以上所述，盘料是在被缝制在一起后切割成环状的。如图2所示，稍加变化，可以在缝制之前将层板12、毡层14、16和18切割成所需要的环形。缝制过程可以用一种类似于前述的方式，即连续的环绕缝制过程。
在缝制过程中最好使用工装将层板和毡层定位，工装的组成至少包括一个沿带有环状毡垫24的支承22的轴线突起的芯轴26。
在将环状层板12，有时带有的中间环状薄毡层14缝制在一起而制成第一盘料部分321之后，在将环状层16和18缝制在盘料部分321的两面而形成盘料部分322和323之后，按上述类似的方法就制成刹车盘。
C-C复合材料刹车盘42是通过将上述制成的盘料材料32用碳填料进行填充处理来得到的，如果盘料是由碳母体纤维制成，在加热碳化处理之后就非常适合。众所周知，可以按化学蒸汽渗透技术或液体技术进行填充处理。
对填充后的盘料进行加工，就的到了刹车盘42的最终尺寸和凹槽，通过凹槽刹车盘才能与其它零件相连接，以便带动摩擦盘高速转动。
以上描述设想了通过通过平行于刹车盘平面叠置纤维织物层板和毡片层来制成环状盘料的情况。
在一种稍加变化的方式中，与刹车盘核心相对应的盘料部分可以通过以下方法来制造。将布带，有时还伴随着薄毡带螺旋平展地卷绕在一个中心轴上，边卷绕边将布带缝合。这种方法在公告号为No.9514000的法国专利申请中有描述。按照一种类似的方式，对用于刹车盘摩擦部分相对应的盘料或其每一部分，也可以使用卷绕毡带层叠缝制在一起来制造。在另一种变化中，如图3所示，与刹车盘核心相对应的盘料部分是通过将纤维织物带50层叠卷绕在芯轴上来制成的。带子50是一种结构织物，例如纺织布，有时还带有一层薄毡带。
带子50被缝在它所叠放的已经卷绕起来的层上。缝制是通过针板60来实现的，针板60横跨带子50的整个宽度。举个例子，芯轴62是一个带有基垫层64的转动轴，缝制第一层时针可以戳进基垫层64中。每转过一周，芯轴62就相对于针头降低一点以保证缝制深度大致相同，或者在控制下稍微变化一点。在保持单位体积的缝制密度一致的情况下制造圆柱状盘料的办法在FR-A-1584107中有描述。
在一种变化中，带子可以通过与一个卷筒切向接触来卷绕，而芯轴保持不动，芯轴上带有可以容纳针头的孔眼，因而可以省去基垫层。
最终卷好的套70被沿径向平面切割成环状盘料部分721，每个721对应一个刹车盘芯。
对应于刹车盘摩擦部分，且至少带有一个毡片层的盘料部分被缝在盘料721的一面或每一面。如图2中的安装形式可以达到这一目的，带有圆形外围侧壁的柱体28与芯轴26相组合，确保了为盘料部分721充分定位。具体实施例1
“Mercedes E600”型私人汽车就是采用图1所示的方法用C-C复合材料制成的前刹车盘。对应于刹车盘核心的盘料部分的基层纤维织物，是由三条经过预氧化的单向聚丙烯腈纤维束(PAN)沿三个不同的方向(0°、+60°、-60°)相互叠放并与一个薄毡片缝制在一起制成的。聚丙烯腈纤维束的单位面积质量大约为1000g/m2，薄毡层的单位面积质量大约为300g/m2。大量的基层纤维织物相互叠放并最好缝制在一起，以保证单位体积的缝制密度相同，直至达到大约22mm的厚度，就像在文件FR-A-2584106和文件FR-A-2726103中所描述的那样。
在由那种方法获得的盘料部分的每一面上，顺序层叠放置8层单位面积质量约为800g/m2的毡片层并缝制在一起，最终获得大约10mm的厚度。
如前述，每一层毡片都要缝制，以便获得大致相同的单位体积缝制密度。
环状盘料被切割下来，其内径和外经分别为180mm和420mm，然后对其进行碳化处理以便将聚丙烯腈PAN转化成碳；在此过程中，可以将盘料固定在工装上进行，以便成型。
可以使用热解石墨通过化学蒸汽渗透法对盘料进行填充。
现在将这种方法制成的刹车盘与按先前工艺制成的刹车板一起进行测试。
第一个试验是在干态下，对刹车盘D1和上面提到的刹车板进行的。刹车扭矩是在200km/h降到0的整个刹车过程中测试的。图4中的曲线A显示了作为时间函数的扭矩的振动情况。作为比较，对比试验研究了普通车辆刹车盘(铸铁刹车盘D2)和使用先前工艺的C-C复合材料刹车盘D3。先前工艺的刹车盘D3与刹车盘D1的区别在于其盘料是完全由图1中的基层织物层板缝制在一起10制成的，而没有使用任何毡片，无论是在摩擦面还是在核心。曲线B和曲线C表示了刹车盘D2和D3中，作为时间函数的扭矩的变化情况。
可以看出，使用C-C复合材料刹车盘所需要的制动时间比使用铸铁材料刹车盘的制动时间短2秒钟(8秒钟降到了6秒钟)，而刹车盘D3的刹车扭矩不稳定性增加了，这带来了振动量的增加。使用刹车盘D1，刹车扭矩的振动量大大地减小了，刹车扭矩的稳定性(扭矩的变化了Δt与扭矩t之间的比率)改善了60％。还会看到摩擦系数μ的稳定度S大大的改善了，S等于试验过程中测得的最大摩擦系数μmax与最小摩擦系数μmin之差除以计算平均值μmean:[S=(μmax-μmin)/μmean]。使用本发明的刹车盘D1,S值在干刹车状态和湿刹车状态下分别为0.23和0.39；而使用先前工艺的刹车盘D3,S值在干刹车状态和湿刹车状态下分别为0.46和0.61。
此外，刹车扭矩还有刹车效率都大大地提高了，而在刹车盘D3中则不是这样。
第二组干刹车试验是对安装在前述“Mercedes E600”型汽车前轴上的刹车盘进行的。分别对刹车盘D1和刹车盘D3的左右刹车盘的磨损进行了测试。图5展示了速度从250km/h降到100km/h的强力制动过程中，测得的由厚度减少所表示的磨损。十分显著，按照本发明制造的刹车盘D1的磨损量大约是先前工艺的C-C复合材料刹车盘的磨损量的一半。具体实施例2
一个由两个转子刹车盘和一个定子刹车盘构成的重型卡车的刹车装置的制造过程如下(图6)。
使用图1所示的方法按如下程序制备相同的环状盘料零件32a、32b、32c、32d。
每一个盘料都包括一个与刹车盘核心部分相对应的第一部分，它是通过将基层纤维织物层叠并缝制在一起制成的，例如可以使用与图1中相同的基层纤维织物。在盘料部分的一面，层叠缝制着毡片层以构成与刹车盘摩擦部分相对应的第二盘料部分。
碳化之后，盘料32a、32b、32c、32d象例1所描述的那样被石墨填料所填充。
这样就制成了与填充过的盘料32a和32b相对应，分别都带有一个核心和一个摩擦面的两个定子刹车盘42a和42b；也制成了两个半片转子刹车盘42c和42d，将两者的非摩擦面靠在一起，就可以制成一个完整的转子刹车盘。定子刹车盘的厚度是转子刹车盘厚度的一半，在可以想到的条件下这是完全可以接受的。
对刹车盘进行加工以便获得最终尺寸和安装所需要的凹槽。这样，半片转子刹车盘42c和42d的内环表面在整个厚度上沿轴线方向就带有了键槽44c和44d，以便与随着重型卡车车轮一起转动的花键轴上的筋相配合。半片转子刹车盘可以在安装在花键轴上时直接组装在一起，例如通过通过它们的轮毂互相卡在一起。定子刹车盘42a和42b上带有从内环表面沿径向伸展的键槽44a和44b，开在与摩擦面相对的非摩擦面上，其深度仅为厚度的一部分。键槽44a和44b设计成与键相配合，以便将制动力传递到重型卡车的车架上。这种与刹车盘核心机械连接的方法，使得可以用垂直于刹车盘端面卷绕布带的方式制造盘料部分，就像具体实施例3中那样。这样作不会产生由于传递制动力而使盘料解体的危险，即盘料的层与层之间不会脱层；而如果在刹车盘的外表面上横跨整个厚度开键槽，就会产生脱层的危险。
图6的具体实施例的特别优越之处在于可以使用标准盘料。在一种变化的情况下，转子刹车盘的组装可以在对原始盘料进行填充之前进行。自然，各种刹车盘盘料制造方法的选择之间并不互相排斥。