本公開涉及碳復合材料，例如，用于制動摩擦材料的碳-碳復合材料。

背景技術(shù)：

碳纖維增強碳材料（也被稱為碳-碳復合材料）是包括在碳材料基體中增強的碳纖維的復合材料。碳-碳復合材料部件可以用于許多高溫應用。例如，航空航天工業(yè)采用碳-碳復合材料部件作為用于商用航空器和軍用航空器的摩擦材料，諸如，制動摩擦材料。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

描述了用于形成碳-碳復合材料部件的裝置、系統(tǒng)和技術(shù)，該碳-碳復合材料部件包括多個復合材料層，該多個復合材料層包括碳纖維和碳化的基體材料。在一些示例中，本公開描述了一種用于形成碳-碳復合材料部件的方法，該碳-碳復合材料部件由碳纖維和碳化的基體材料的多個復合材料層組成，通過使用三維打印過程（例如，利用三維打印機系統(tǒng)）來形成該多個復合材料層。在一些示例中，使用三維打印機系統(tǒng)來形成復合材料層以在三維打印機的工作表面上沉積至少一個樹脂（例如，樹脂、碳纖維和樹脂的混合物、或者涂布有樹脂的碳纖維）。在樹脂的沉積之后，三維打印機的碳化器（例如，集中的激光束）可以對樹脂進行加熱以通過迭代過程引起碳化，并且將樹脂轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料，從而形成復合材料層?？梢灾貜驮撨^程以添加和形成附加復合材料層，從而產(chǎn)生具有期望幾何結(jié)構(gòu)（例如，厚度）和密度的多層碳-碳復合材料部件。

在一些示例中，本公開描述了一種方法，其包括在三維打印系統(tǒng)的工作表面上沉積第一材料層，第一材料層包括樹脂和碳纖維、碳纖維材料或者碳纖維前體材料中的至少一個。方法還包括使用附接至三維打印機的碳化器來至少使第一材料層的樹脂碳化以形成第一碳-碳復合材料層，該第一碳-碳復合材料層包括碳纖維和碳化的基體材料。方法還包括在第一碳-碳復合材料層上沉積附加材料層，附加材料層包括樹脂和碳纖維、碳纖維材料或者碳纖維前體材料中的至少一個。方法還包括使用碳化器來至少使附加材料層的樹脂碳化以在第一碳-碳復合材料層上形成附加碳-碳復合材料層。

在一些示例中，本公開描述了一種系統(tǒng)，其包括：至少一個打印頭，該至少一個打印頭構(gòu)造為相對于工作表面沉積樹脂；碳化器，該碳化器構(gòu)造為使相對于工作表面而沉積的樹脂碳化以形成碳化的基體材料；以及控制器，該控制器構(gòu)造為控制相對于工作表面沉積樹脂并且使樹脂碳化以形成多個碳-碳復合材料層，該多個碳-碳復合材料層包括碳纖維和通過對樹脂進行碳化而形成的碳化的基體材料。

在一些示例中，本公開描述了一種碳-碳復合材料物品，其包括復合材料層，該復合材料層包括碳纖維和碳化的基體材料，其中，通過在三維打印系統(tǒng)的工作表面上沉積碳纖維、碳纖維材料或者碳纖維前體材料中的至少一個和樹脂，并且經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的碳化器使樹脂碳化以形成碳化的基體材料來形成復合材料層。

在附圖或者以下描述中，提出一個或多個示例的細節(jié)。從說明書、附圖及所附權(quán)利要求書中本公開的其它特征、目標和優(yōu)點將變得明顯。

附圖說明

圖1是示出了示例航空器制動組件的示意框圖。

圖2是示出了示例碳-碳復合材料部件的概念圖。

圖3是示出了圖2的碳-碳復合材料部件的示例截面的示意圖。

圖4是示出了圖2的碳-碳復合材料部件的層的示例截面的示意圖。

圖5至圖6是示出了用于經(jīng)由三維打印過程形成碳-碳復合材料部件的示例三維打印系統(tǒng)的示意圖。

圖7是示出了可以與三維打印系統(tǒng)一起使用的示例擠壓成型模塊的示意圖。

圖8是示出了用于經(jīng)由三維打印過程形成碳-碳復合材料部件的示例三維打印系統(tǒng)的示意圖。

圖9是示出了通過使用三維打印系統(tǒng)來沉積復合材料層并且使復合材料碳化來形成碳-碳復合材料的示例技術(shù)的流程圖。

圖10是示出了通過使用三維打印系統(tǒng)來沉積涂布有樹脂的碳絲并且使該碳絲碳化，以形成復合材料的多個復合材料層的示例技術(shù)的流程圖。

圖11是示出了示例技術(shù)的流程圖，該示例技術(shù)通過在三維打印機的工作表面上沉積碳纖維、然后在碳纖維上沉積樹脂并且隨后使用三維打印機的碳化器來使樹脂碳化以形成復合材料的多個復合材料層來形成碳-碳復合材料部件。

具體實施方式

本文描述了用于形成致密的碳-碳復合材料部件的示例技術(shù)。在一些示例中，致密的碳-碳復合材料部件可以用作摩擦材料，例如，作為航空器制動盤。在航空器制動片的情況下，在一些示例中，碳-碳復合材料部件可以采取環(huán)形圈的形式，盡管也可以使用其它形狀。

例如在航空航天應用（諸如，制動片）中使用的致密的碳-碳復合材料部件可以由碳纖維預制體形成，已經(jīng)通過使用多種致密技術(shù)來致密該碳纖維預制體。例如，可以通過將由織造或者非織造碳纖維形成的織物片分層放置來形成碳纖維預制體，然后可以通過化學氣相滲透（CVI）或者化學氣相沉積（CVD）對該碳纖維預制體進行整體致密以實現(xiàn)表現(xiàn)出期望最終密度的碳-碳復合材料部件。然而，這種技術(shù)可能是緩慢的并且采取多種應用來實現(xiàn)期望最終密度。

另外或者替代地，可以通過利用液態(tài)樹脂滲入整個預制體使用例如真空壓力浸漬（VPI）和/或樹脂傳遞模塑（RTM）、然后使樹脂碳化來使預制體致密。這種技術(shù)的速度可以比CVI/CVD快，但是這種技術(shù)可以導致貫穿碳-碳復合材料部件的非均勻密度梯度，該碳-碳復合材料組分需要進一步處理以獲得期望密度。另外，一些樹脂在經(jīng)過碳化之前可能需要中間樹脂穩(wěn)定周期。在樹脂穩(wěn)定周期期間，可以對樹脂進行某種程度的交聯(lián)或者聚合，這可以在樹脂的溫度上升至碳化點時幫助樹脂凝固并且抑制樹脂液化并且流失（leech）到滲入的預制體之外。

然而，樹脂穩(wěn)定化周期可能是極其占用時間的，需要數(shù)月來對樹脂進行充分的交聯(lián)。此外，即使是樹脂穩(wěn)定化，由于在將樹脂轉(zhuǎn)換為炭時從樹脂演變而來的氣體，在碳化期間，可以迫使一定數(shù)量的樹脂離開預制體。與CVD/CVI和包括樹脂穩(wěn)定化的技術(shù)相比，通過利用本文所描述的技術(shù)，可以按照原位方式來完成樹脂的沉積、穩(wěn)定化和/或碳化，例如，將樹脂的局部（例如，相對小的）部分迭代地轉(zhuǎn)換為碳以形成復合材料層，這可以顯著減少制作時間和成本，同時仍然提供高密度碳-碳復合材料。

根據(jù)本公開的一個或者多個示例，碳-碳復合材料部件可以包括多個層，該多個層包括碳纖維，該碳纖維與已經(jīng)經(jīng)過碳化的樹脂相結(jié)合以形成碳化的基體材料。在一個示例中，通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)在樹脂材料中順序地沉積復合材料混合物、然后通過使用三維打印系統(tǒng)的碳化器來使樹脂碳化來形成多個層，所述復合材料混合物包括多個碳纖維或者碳纖維前體材料（統(tǒng)稱為“碳纖維”）。例如，碳-碳復合材料部件可以包括多個層，其中，通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的至少一個打印頭將復合材料混合物沉積到工作表面上來順序地形成每一層，例如，碳-碳復合材料部件的先前形成的層。連接至三維打印系統(tǒng)的碳化器然后可以對沉積的復合材料混合物的局部部分進行加熱以引起樹脂碳化，并且在某些情況下，引起復合材料混合物的碳纖維碳化以形成一層碳纖維和碳化的基體材料。在迭代沉積和碳化過程期間，可以控制打印頭和碳化器在三維空間中的位置，從而在三維空間中順序地形成多層碳-碳復合材料部件以限定具有期望幾何結(jié)構(gòu)的碳纖維預制體。

在其它示例中，除了沉積包括與樹脂材料相結(jié)合的碳纖維的復合材料混合物之外，可以通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的至少一個打印頭沉積多層單獨碳纖維來同時形成碳纖維和樹脂的單獨層，每一層單獨碳纖維涂布有樹脂。例如，三維打印系統(tǒng)可以采用擠壓成型過程來利用樹脂涂布大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳纖維絲或者碳纖維前體絲（統(tǒng)稱為“碳絲”），并且然后將涂布的絲切成涂布有樹脂的多個碳絲。在一些示例中，大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲可以是單個絲或者兩個碳絲。然后，可以經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭沉積單獨的涂布的碳絲。在進行沉積之后，可以對碳化器進行接合以迭代地引起樹脂碳化，并且在某些情況下，引起碳絲碳化以形成一層碳纖維和碳化的基體材料。此外，可以重復三維打印過程以生成具有期望三維幾何結(jié)構(gòu)的多層碳-碳復合材料部件。

在其它示例中，可以通過獨立應用技術(shù)以逐層為基礎(chǔ)沉積碳纖維和樹脂。例如，可以通過首先在包含先前形成的碳-碳復合材料層的工作表面上沉積碳纖維材料層經(jīng)由三維打印系統(tǒng)形成碳-碳復合材料的每一層。在沉積碳纖維材料之后，通過使用相同的或者不同的三維打印系統(tǒng)，可以在新近沉積的碳纖維材料上沉積樹脂以允許樹脂滲入碳纖維材料。在滲入之后，可以對碳化器進行接合以迭代地引起樹脂碳化，并且在某些情況下，引起碳纖維材料碳化以形成一層碳纖維和碳化的基體材料。此外，可以重復三維打印過程以生成具有期望三維幾何結(jié)構(gòu)的多層碳-碳復合材料部件。

在其它示例中，可以按照預制形式（例如，碳纖維片）沉積碳纖維。例如，在這些示例中，可以將碳纖維片添加至先前形成的碳-碳復合材料層。在進行添加之后，三維打印系統(tǒng)可以在碳纖維片上沉積樹脂以允許樹脂滲入纖維。在滲入之后，可以對碳化器進行接合以迭代地引起樹脂碳化，并且在某些情況下，引起碳纖維碳化以形成一層碳纖維和碳化的基體材料。可以重復整個過程以生成具有期望三維幾何結(jié)構(gòu)的多層碳-碳復合材料部件。

本公開的示例可以提供由于其它方法的一個或者多個優(yōu)點。例如，在某些情況下，本公開的示例可以提供用于通過限制過多的碳纖維和碳基體材料的數(shù)量來減小材料制造成本，并且通過以逐層為基礎(chǔ)的對材料的局部部分進行致密和碳化來提高產(chǎn)品的均勻性。在一些示例中，如果以這種方式設(shè)計，則提高的均勻性可以對磨損性能和停止性能產(chǎn)生預期影響，并且阻止所產(chǎn)生的碳-碳復合材料氧化。另外，與其它現(xiàn)有技術(shù)（諸如，例如，將碳纖維分層，然后對分層的織物部分進行樹脂致密并且對所產(chǎn)生的塊部件碳化）相比較，通過利用三維打印過程來形成多層碳-碳復合材料部件，可以利用對跨越碳-碳組件的體積的特性（諸如，例如，成分）的改進控制（例如，非均勻性）來制造整體組件。另外，以原位（例如，局部）方式對樹脂進行的穩(wěn)定化和/碳化可以允許更多的樹脂轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料并且顯著減少制作時間。例如，通過使用碳化器來通過集中加熱使樹脂的局部（例如，相對小的）部分碳化，例如，使由集中的激光束限定的局部區(qū)域碳化，可以將樹脂的局部部分快速地（例如，幾乎是瞬間地）加熱至碳化點，同時也避免樹脂液化并且從碳纖維層流失的機會。所產(chǎn)生的過程可以導致更多樹脂保持并且轉(zhuǎn)換為炭，例如，碳，同時也避免需要漫長的樹脂穩(wěn)定化周期。

圖1是示出了示例航空器制動組件10的概念圖，該示例航空器制動組件10可以包括根據(jù)本公開的技術(shù)而形成的一個或者多個碳-碳復合材料部件。為了便于說明，首先關(guān)于由碳-碳復合材料部件形成的航空器制動盤描述本公開的示例。然而，可以使用本公開的技術(shù)來形成除了航空器制動盤之外的碳-碳復合材料部件。例如，碳-碳復合材料部件可以用作在其它類型的制動應用中以及在其它應用（諸如，熱交換器和隔熱罩）中的摩擦材料。

在圖1的示例中，航空器制動組件10包括輪12、致動器組件14、制動堆疊16和輪軸18。輪12包括輪轂20、輪支架凸輪（wheel outrigger flange）22、胎圈座（bead seats）24A和24B、凸耳螺栓（lug bolt）26以及凸耳螺母28。致動器組件14包括致動器外殼30、致動器外殼螺栓32和撞錘（ram）34。制動堆疊16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38，轉(zhuǎn)子盤36構(gòu)造為相對于定子盤38移動。轉(zhuǎn)子盤36通過梁鍵40安裝到輪12上，并且具體地安裝到輪轂20上。定子盤38通過花鍵44安裝到輪軸18上，并且具體地安裝到轉(zhuǎn)矩管42上。輪組件10可以支撐任何種類的私有的、商用的或者軍用的航空器。

輪組件10包括輪12，在圖1的示例中，該輪12由輪轂20和輪支架凸輪22限定。輪支架凸輪22通過凸耳螺栓26和凸耳螺母28機械地貼附在輪轂20上。在組裝期間，可以通過輪支架凸輪22將可充氣輪胎（未示出）放置在輪轂20之上并且固定在相對側(cè)上。其后，可以將凸耳螺母28擰緊在凸耳螺栓26上，并且可以利用胎圈密封件24A和24B來使可充氣輪胎充氣，從而為可充氣輪胎提供氣密封。

輪組件10可以經(jīng)由轉(zhuǎn)矩管42和輪軸18安裝到航空器。在圖1的示例中，轉(zhuǎn)矩管42通過多個螺栓46貼附到輪軸18。轉(zhuǎn)矩管42支撐制動器組件14和定子38。輪軸18可以安裝到起落架（未示出）的支柱上以將輪組件10連接至航空器。

在航空器的操作期間，制動有時是必要的，諸如，在著落和滑行期間。輪組件10構(gòu)造為經(jīng)由致動器組件14和制動堆疊16向航空器提供制動功能。致動器組件14包括致動器外殼30和撞錘34。致動器組件14可以包括不同類型的致動器，諸如，例如，電氣-機械致動器、液壓致動器、氣動致動器等中的一個或者多個。在操作期間，撞錘34可以遠離致動器外殼30延伸以將制動堆疊16軸向壓緊抵靠壓縮點48以用于制動。

制動堆疊16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38。轉(zhuǎn)子盤36通過梁鍵40安裝到輪轂20以共同旋轉(zhuǎn)。定子盤38通過花鍵44安裝到轉(zhuǎn)矩管42。在圖1的示例中，制動堆疊16包括四個轉(zhuǎn)子和五個定子。然而，在其它示例中，可以在制動堆疊16中包括不同數(shù)量的轉(zhuǎn)子和/或定子。進一步地，例如，轉(zhuǎn)子和定子的相對位置可以是相反的，從而將轉(zhuǎn)子盤36安裝到轉(zhuǎn)矩管42并且將定子盤38安裝到輪轂20。

轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以提供用于使航空器制動的相對的摩擦表面。當將移動的航空器的動能轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿佣询B16中的熱能時，制動堆疊16中的溫度可以快速上升，例如，超過200攝氏度。對于一些航空器，緊急制動（例如，中斷起飛）可能導致部件溫度超過500攝氏度，并且在一些情況下，甚至超過800攝氏度。同樣，形成制動堆疊16的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以包括能夠在這種溫度下操作的穩(wěn)健的熱穩(wěn)定材料。

在一個示例中，轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38由根據(jù)本公開的一種或者多種技術(shù)（例如，關(guān)于圖2描述的技術(shù)）制造的碳-碳復合材料部件形成。具體地，轉(zhuǎn)子盤36中的至少一個和/或定子盤38中的至少一個可以由經(jīng)由本公開的示例技術(shù)中的一種或者多種生產(chǎn)的碳-碳復合材料部件形成。轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以由相同的材料或者不同的材料形成。例如，輪組件10可以包括金屬轉(zhuǎn)子盤36和碳-碳復合材料定子盤38，反之亦然。進一步地，轉(zhuǎn)子盤36中的每一個盤和/或定子盤38中的每一個盤可以由相同的材料形成或者轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38中的至少一個盤可以由與轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38中的至少一個其它盤不同的材料形成。

簡要地說，在一些示例中，可以分別通過梁鍵40和花鍵44將轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38安裝在輪組件10中。在一些示例中，梁鍵40可以是關(guān)于輪轂20的內(nèi)部周向間隔開的。例如，梁鍵40的形狀可以設(shè)計為具有相對端（例如，矩形的相對側(cè)），并且可以具有機械地貼附到輪轂20的內(nèi)部的一端和機械地貼附到輪轂20的外部的相對端。梁鍵40可以與輪轂20一體形成并且可以與輪轂20分離并且機械地貼附到輪轂20，例如以在轉(zhuǎn)子盤36與輪轂20之間提供熱障。為此，在不同的示例中，輪組件10可以包括隔熱罩（未示出），該隔熱罩徑向向外延伸并且向外圍繞制動堆疊16，例如以限制在制動堆疊16與輪12之間的熱傳遞。

在一些示例中，花鍵44可以關(guān)于轉(zhuǎn)矩管42的外部周向間隔開。例如，花鍵44可以與轉(zhuǎn)矩管42一體形成或者可以與轉(zhuǎn)矩管42分離并且機械地貼附到轉(zhuǎn)矩管42。在一些示例中，花鍵44可以在轉(zhuǎn)矩管42中限定側(cè)向凹槽。同樣，定子盤38可以包括構(gòu)造為插入到花鍵中的多個徑向向內(nèi)設(shè)置的凹口。

因為梁鍵40和花鍵44可以分別與轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38熱接觸，所以梁鍵40和花鍵44可以由熱穩(wěn)定材料制成，該熱穩(wěn)定材料包括例如上面關(guān)于轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38所討論的那些材料。因此，在一些示例中，可以使用本公開的示例技術(shù)來形成用于輪組件10的梁鍵和/或花鍵。

圖1所示的示例組件10僅僅是一個示例。在其它示例中，組件10和組件10的部件（例如，輪10、致動器組件14、制動堆疊16和輪軸18）可以具有另一合適的構(gòu)造。另外，在其它示例中，可以使用由示例碳纖維預制體產(chǎn)生的本文所描述的碳-碳復合材料部件來形成除了盤36、38、鍵40和花鍵44中的一個或者多個之外或者代替盤36、38、鍵40和花鍵44中的一個或者多個的其它結(jié)構(gòu)。

圖2是示出了根據(jù)本公開的各個方面的示例碳-碳復合材料部件50的概念圖。如所示，碳-碳復合材料部件50是在Z軸方向（為了便于描述，在圖2中示出了正交x-y-z軸）上具有內(nèi)徑（ID）、外徑（OD）和厚度（T）的環(huán)形圈。碳-碳復合材料部件50由復合材料52形成，并且包括多個單獨層（在圖2中未示出），通過在以逐層為基礎(chǔ)沉積如下面進一步所描述的碳纖維和樹脂材料、然后使用三維打印過程經(jīng)由碳化器使樹脂碳化來形成該多個單獨層。為了便于說明，首先將復合材料52描述為碳纖維和碳化的基體材料（例如，已經(jīng)經(jīng)過碳化的樹脂）。

圖3是沿圖2所示的截面A-A截取的示出了示例多層碳-碳復合材料部件50的示意圖。如所示，碳-碳復合材料部件50包括多個單獨復合材料層54X₁、54X₂、54X₃、54X₄……和54X_n，其中，n是在z軸方向上的單獨層的總數(shù)。層統(tǒng)稱為復合材料層54。同時，復合材料層54定義碳-碳復合材料部件50在z軸方向上的厚度T。復合材料層54的每一個單獨層由多種碳纖維53和碳化的基體材料55形成。復合材料層54的單獨層的厚度可以取決于碳-碳復合材料部件50的設(shè)計和應用意圖。在一些示例中，復合材料層54的單獨層的厚度可以在約25密耳（約0.635毫米（mm））與約125密耳（約3.175 mm）之間，然而還考慮了其它厚度。在一些示例中，碳-碳復合材料部件50的總厚度T可以在約0.5英寸（約1.27厘米（cm））到約2.5英寸（約6.35 cm）之間，然而還考慮了其它厚度。雖然圖3將復合材料層54的每一層示出為大體上平面的（例如，形狀是平面的或者幾乎平面的），也考慮了其它形式。例如，復合材料層54可以采取呈波紋狀的或者波紋的形狀，該呈波紋狀的或者波紋的形狀可以提供對復合材料層54的單獨層的分層的抵抗。

如下面進一步描述的，復合材料52可以包括多個碳纖維53和碳化的基體材料55。在一些示例中，可以使用例如碳纖維或者絲、碳纖維材料、或者碳纖維前體材料（統(tǒng)稱為“碳纖維”）經(jīng)由三維打印系統(tǒng)形成碳纖維53。用于形成碳纖維53的示例材料包括例如聚丙烯腈（PAN）纖維、瀝青纖維、氧化PAN、衍生自PAN的碳纖維、衍生自瀝青的碳纖維、人造纖維等。在使用碳纖維前體材料的情況下，可以經(jīng)由下面進一步描述的碳化器通過碳化將前體容易地轉(zhuǎn)換為碳纖維53。

碳纖維53可以為完成的碳-碳復合材料部件50提供結(jié)構(gòu)強度。在一些示例中，碳纖維53可以是單個絲或者纖維束。在復合材料層54的相應層中包括的碳纖維53的長度可以從具有約1英寸的長度的單獨纖維改變?yōu)樨灤拥拇篌w上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）纖維。在一些示例中，碳纖維53的每個纖維可以由具有小于或者等于約20微米的絲直徑的一個或者多個絲限定。在一些示例中，纖維的長度可以沿碳-碳復合材料部件50的厚度T改變。例如，接近碳-碳復合材料部件50的外表面的碳纖維53（例如，層54X₁和54X_N）可以分別具有約0.25英寸（約6.35 mm）的長度，而接近碳-碳復合材料部件50的幾何結(jié)構(gòu)的中間的碳纖維53可以具有高達約3英寸（約7.62 cm）的長度。

在一些示例中，復合材料層54的碳纖維53可以是預制碳纖維板的形式。例如，碳纖維53可以是織物片的形式，該織物片由可以采取通過下述碳化轉(zhuǎn)換為碳纖維53的織造或者非織造碳纖維或者前體碳纖維（諸如，聚丙烯腈（PAN）或者人造纖維）的形式。在一些示例中，單個碳纖維53片可以具有約0.125英寸的厚度。根據(jù)制成品的預期應用，可以將碳纖維53片切成具體形狀，該具體形狀包括例如具有期望內(nèi)徑和外徑的盤式制動器以及用于附接目的的其它結(jié)構(gòu)特征。單個碳纖維53片可以具有每平方米約900 g至約1000 g的纖維的纖維體積密度。根據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計具體細節(jié)，纖維可以是連續(xù)的或者分段的。

可以使用用于形成碳-碳復合材料部件50的碳化的基體材料55的任何合適的樹脂。例如，樹脂可以包括但不限于合成物、煤焦油、石油各向同性的和中間相瀝青、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂、其它產(chǎn)生碳樹脂（carbon yielding resin）或者它們的組合。在一些示例中，用于形成碳化的基體材料55的樹脂可以包括瀝青，諸如，可以從例如煤、焦油和石油提取到的富碳氧化合物瀝青。在一些示例中，可以合成地生產(chǎn)樹脂。在一些示例中，樹脂可以來自單個源（例如，煤）或者可以是來自不同源的不同樹脂的組合。在一些示例中，樹脂可以是中間相瀝青。在其它示例中，樹脂可以是各向同性瀝青。也考慮了中間相瀝青和各向同性瀝青的組合?？梢越?jīng)由三維打印系統(tǒng)的碳化器將樹脂轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料55。

碳-碳復合材料部件50的復合材料52可以包括任何合適數(shù)量的碳纖維53和碳化的基體材料55，例如，允許復合材料52用于期望應用（例如，航空器的盤式制動器）的數(shù)量。在一些示例中，復合材料52包括重量百分比（wt%）為約45至約85的碳纖維53，諸如，例如，約50wt%至約80wt%、約80wt%至約85wt%或者約45wt%至約50wt%。復合材料52可以包括約15wt%至約55wt%的碳化的基體材料55，諸如，例如，約20wt%至約50wt%、約15wt%至約20wt%或者約50wt%至約55wt%的碳化的基體材料55，其中，碳-碳復合材料部件50的剩余部分可以包括碳纖維53、由碳纖維53組成或者基本上由碳纖維53組成。在一些示例中，碳纖維53和碳化的基體材料55可以按照碳纖維53與碳化的基體材料55的約50/50的比例呈現(xiàn)。在一些示例中，復合材料52可以包括碳纖維53和碳化的基體材料55，由碳纖維53和碳化的基體材料55組成或者基本上由碳纖維53和碳化的基體材料55組成。在一些示例中，增加碳纖維53的數(shù)量可以提供更強的碳-碳復合材料部件50，而增加用于形成碳化的基體材料55的樹脂的數(shù)量可以提供密實的碳-碳復合材料部件50。

在一些示例中，復合材料層54可以由經(jīng)由三維打印系統(tǒng)形成的多個行形成。例如，圖4是示出了在X方向上的碳-碳復合材料部件50的層54X₄的示例截面的示意圖，其可以表示復合材料層54的相應層中的每一層的構(gòu)造。如圖所示，層54X₄包括在x軸方向上并排對齊的多個單獨復合材料行56X₁、56X₂、56X₃、56X₄、……和56X_y（下面統(tǒng)稱為“復合材料行56”），其中，y是在x軸方向上的單獨行的總數(shù)。此外，復合材料行56中的每個單獨行通過使用三維打印系統(tǒng)由多個碳纖維和碳化的基體材料55來形成。復合材料行56結(jié)合在一起以在x-y平面中形成層54X₄，該x-y平面還包括在z軸方向上的層厚度。

可以在任何合適的構(gòu)造中沉積復合材料行56以在x-y平面中形成層54X₄。例如，復合材料行56可以是以格形式、同心圓（例如，從碳-碳復合材料部件50的ID到OD），或者以盤繞形式（例如，從碳-碳復合材料部件50的ID到OD）形成的線性行，與同心圓形式相比，這可以允許對復合材料52進行連續(xù)沉積和碳化。單獨復合材料行56可以具有任何合適的寬度和截面形狀，該寬度和該截面形狀都可以取決于三維打印頭的設(shè)計，并且可以基于通過過程形成的碳-碳復合材料部件50的設(shè)計意圖而選擇。在一些示例中，復合材料行56可以是大體上圓形的、橢圓形的、矩形的、三角形的或者其它合適形狀的截面，并且可以具有一英寸的約5/16（約7.9375毫米（mm））至一英寸的約1/8（約3.175 mm）的寬度。

可以經(jīng)由任何合適的三維打印過程形成組成碳-碳復合材料部件50的復合材料層54的每一單獨層和復合材料行56的單獨行。在一些示例中，在三維打印過程期間，在三維空間中迭代地形成復合材料層54和復合材料行56以生成具有期望幾何結(jié)構(gòu)的碳-碳復合材料部件50，諸如，圖2所示的具有厚度（T）的環(huán)形圈。在一些示例中，碳-碳復合材料部件50可以具有約4英寸（約10.16 cm）至約18英寸（約45.72 cm）的內(nèi)徑（ID），和約10英寸（約25.4 cm）至約30英寸（約76.2 cm）的外徑（OD），以及約0.5英寸（約1.27 cm）至約2.5英寸（約6.35 cm）的厚度（T）。也考慮了其它范圍和幾何結(jié)構(gòu)。

雖然關(guān)于下面所討論的三維打印系統(tǒng)進行了描述，但是可以使用任何合適的三維打印系統(tǒng)，該任何合適的三維打印系統(tǒng)構(gòu)造為在碳纖維上沉積樹脂，然后使樹脂碳化以使用三維打印技術(shù)來形成碳-碳復合材料部件50的碳化的基體材料55。圖5是示出了示例三維打印系統(tǒng)60的示意圖，在本公開的情況下，該示例三維打印系統(tǒng)60可以用于經(jīng)由三維打印過程形成碳-碳復合材料部件50。為了便于描述，在擠壓沉積系統(tǒng)方面描述系統(tǒng)60。然而，也考慮了用于形成碳-碳復合材料部件50的其它系統(tǒng)。

如圖所示，系統(tǒng)60包括復合材料混合物進給裝置62，該復合材料混合物進給裝置62將包含與以大批量形式的樹脂混合碳纖維（例如，碳纖維或者碳纖維前體）的復合材料混合物61輸送至擠出機64。擠出機64包括構(gòu)造為在工作表面66上沉積復合材料混合物61的打印頭68。系統(tǒng)60還可以包括控制器70和一個或者多個控制臂72?？刂破?0可以構(gòu)造為操作地控制一個或多個控制臂72來幫助沉積和碳化復合材料混合物61。一個或者多個控制臂72可以機械地構(gòu)造為：通過控制打印頭68、碳化器74和/或工作表面66在三維空間中的位置來相對于工作表面66定位打印頭68和碳化器74。系統(tǒng)60還可以包括碳化器74，該碳化器74可以構(gòu)造為加熱在工作表面66上沉積的復合材料混合物61的局部部分（例如，由集中的激光束的面積限定的材料的相對小的部分）以引起樹脂碳化，并且如果需要，則引起碳纖維碳化。

在一些示例中，復合材料混合物62可以是預制小球或者預制復合材料混合物61的盤繞圈的形式?？梢园凑赵试S加熱的材料流出由可移動打印頭68所限定的一個或者多個出口的方式通過擠出機64將復合材料混合物61加熱至使復合材料混合物61熔化（例如，至液態(tài)或者在其它方面使復合材料混合物61軟化）的溫度?？梢灾苯釉诠ぷ鞅砻?6上或者間接在工作表面66上沉積（例如，在先前形成的一個或者多個復合材料層54上沉積）流出打印頭68的復合材料混合物61。可以經(jīng)由碳化器74順序地加熱沉積的復合材料混合物61以引起在復合材料混合物61中的樹脂碳化（并且在某些情況下，引起碳纖維碳化）以產(chǎn)生復合材料52的碳化的基體材料55。可以通過調(diào)整打印頭68和碳化器74在三維中相對于工作面66的位置來重復該過程，該工作表面66貫穿三維打印過程支撐所沉積的層。在打印過程期間以連續(xù)的或者不連續(xù)的基礎(chǔ)可以經(jīng)由打印頭68沉積復合材料混合物61并且經(jīng)由碳化器74使該復合材料混合物61碳化。在一些示例中，可以在十字頭擠出系統(tǒng)中執(zhí)行熔化和擠出步驟。經(jīng)由碳化器74對沉積的復合材料混合物61進行的碳化可以與經(jīng)由打印頭進行的沉積結(jié)合進行（例如，打印頭68和碳化器74與相同的可移動設(shè)備連接）或者獨立于經(jīng)由打印頭68沉積復合材料混合物61而進行（例如，打印頭68和碳化器74由獨立的控制臂72操作）。

在圖5所示的示例中，系統(tǒng)60包括控制器70，該控制器70可在三維打印過程期間控制系統(tǒng)60的操作以提供具有期望幾何結(jié)構(gòu)的碳-碳復合材料部件50。例如，在沉積期間，控制器70可以控制可以附接至可移動打印頭68和碳化器74的一個或者多個控制臂72的移動，以控制復合材料混合物61相對于工作表面66的沉積和經(jīng)由碳化器74對復合材料混合物61進行的碳化。以這種方式，控制器70可以控制從打印頭68流出到工作表面66上的復合材料混合物61在三維空間中的相對位置。在沉積復合材料混合物61之后，控制器70可以控制碳化器74在三維空間中的相對位置以引起在復合材料61中包括的樹脂碳化并且，如果需要，引起碳纖維碳化以形成碳-碳復合材料部件50的復合材料52，例如，通過沉積和碳化復合材料行56和復合材料層54。可以采用步進電機或者伺服電機來使打印頭68和碳化器74移動并且調(diào)整復合材料混合物61流出打印頭68的流動。控制器70可以構(gòu)造為控制一個或者多個控制器臂72的位置以使打印頭68和碳化器74在x軸、y軸和z軸方向上共同地或者獨立地移動。另外，控制器70可以控制附加沉積過程的一個或者多個其它因素，例如，復合材料混合物進給裝置62和/或復合材料混合物61在系統(tǒng)60內(nèi)的一個或多個位置處的溫度、從復合材料混合物進給裝置62到擠出機64的進給時間、打印頭68的位置和/或復合材料混合物61流出打印頭68的流速、碳化器74的三維位置、碳化器74的溫度和操作以及系統(tǒng)60的其它特征。

在一些示例中，控制器70可以包括一個微處理器或者多個微處理器，其能夠響應于所接收和/或所存儲的數(shù)據(jù)執(zhí)行和/或輸出指令信號?？刂破?0 包括一個或者多個處理器，該一個或者多個處理器包括一個或者多個微處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）、專用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、或者任何其它等效集成或者離散邏輯電路系統(tǒng)以及這些部件的任何組合。術(shù)語“處理器”或者“處理電路系統(tǒng)”通常可以指單獨使用的或者與其它邏輯電路系統(tǒng)結(jié)合使用的前述邏輯電路系統(tǒng)或者任何其它等效電路系統(tǒng)中的任何一個?？刂破?0可以包括計算機可讀存儲器（諸如，只讀存儲器（ROM）、隨機存取存儲器（RAM）和/或閃存）或者用于運行應用和處理數(shù)據(jù)以控制與系統(tǒng)60相關(guān)聯(lián)的操作的任何其它部件。由此，在一些示例中，控制器70可以包括作為硬件、軟件和/或固件存儲在一個或者多個存儲器、存儲裝置和/或微處理器內(nèi)的指令和/或者數(shù)據(jù)。在一些示例中，控制器可以使用在微處理器上運行的計算機輔助制造（CAM）軟件包來控制打印頭68和碳化器74?？刂破?0可以包括多個控制器或者僅僅單個控制器。

系統(tǒng)60還包括碳化器74。術(shù)語碳化器用于描述一種裝置，其構(gòu)造為加熱在工作表面66上沉積的復合材料混合物61的局部區(qū)域（例如，約0.01 mm至約1 mm的直徑的材料的相對小的區(qū)域至包括約1 mm至約10 mm的直徑的材料的相對大的區(qū)域）以引起樹脂碳化，并且在某些情況下，使包含在沉積的復合材料混合物61中的碳纖維（例如，碳纖維前體材料）碳化。加熱樹脂超過其碳化溫度（例如，約450℃以上）使得樹脂經(jīng)歷熱解反應，其中，樹脂的分子鍵開始作為氣體打破釋放材料（例如，有機材料，諸如，氫和氧）并且留下大體上純的碳結(jié)構(gòu)（例如，炭）。剩下的碳幫助致密所產(chǎn)生的碳-碳復合材料部件50并且提高所產(chǎn)生的碳-碳復合材料部件50的耐久性。在一些示例中，可以在大體上無氧的環(huán)境中進行碳化過程，從而避免任何不需要的支氧化反應。在這種示例中，系統(tǒng)60可以包含例如在無氧環(huán)境（例如，真空或者氮環(huán)境）中或者構(gòu)造為在碳化過程期間使系統(tǒng)60在工作表面66上生成無氧環(huán)境（例如，通過建立真空或者利用惰性氣體來覆蓋工作表面66）。

在一些示例中，在系統(tǒng)60中使用的碳化器74可以是聚焦等離子體炬的形式，該聚焦等離子體炬構(gòu)造為將熱量（例如，將約0.1 mm至約10 mm的區(qū)域現(xiàn)場加熱至超過約450℃的溫度（例如，超過樹脂的碳化溫度600℃））輸送至沉積的復合材料混合物61的局部區(qū)域，以快速提升復合材料61的局部區(qū)域的溫度，從而使樹脂碳化并且將樹脂轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料。在一些示例中，碳化器74（例如，等離子體炬）加熱樹脂的局部區(qū)域并且使該局部區(qū)域碳化所花去的時間可能是幾乎瞬間的，例如，實現(xiàn)不到2秒的碳化。在載運氣體選擇為非氧化性（例如，氮氣、氬氣等）來避免所產(chǎn)生的復合材料52的不需要的氧化的情況下，任何合適的等離子體炬可以用作碳化器74。一旦碳化器74將樹脂的局部區(qū)域轉(zhuǎn)化為碳化的基體材料55，控制器70就可以操作一個或者多個控制臂72來使碳化器74相對于工作表面66移動以繼續(xù)碳化過程，直到碳化器74將整個樹脂層轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料55。在一些示例中，碳化器74也可以構(gòu)造為使在復合材料61中包括的其它材料碳化，包括例如用于形成碳纖維53的任何前體碳纖維材料。

在一些示例中，在系統(tǒng)60中使用的碳化器74可以包括集中的激光，其構(gòu)造為將熱量輸送至沉積的復合材料混合物61的局部區(qū)域以快速提升復合材料混合物61的局部區(qū)域的溫度，從而使樹脂碳化并且將樹脂轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料。在一些示例中，碳化器74（例如，集中的激光）加熱樹脂的局部區(qū)域并且使該局部區(qū)域碳化所花去的時間可以是幾乎瞬間的，例如，實現(xiàn)不到2秒的碳化。用作碳化器74的集中的激光可以包括適合于這種應用的任何類型的激光，該激光包括例如CO₂激光、鐿（Yb）激光、Nd:YAG激光等。在一些示例中，可以將集中的激光相鄰地安裝在打印頭68上。在這種示例中，在沉積后續(xù)材料滴之前進行沉積之前，可以經(jīng)由碳化器74使包含來自打印頭68的樹脂的新近沉積的材料滴碳化。在其它示例中，可以將集中的激光安裝在系統(tǒng)60中的其它地方，其中，使用例如光纖來與打印頭68相鄰地傳遞來自激光器的光。此外，一旦碳化器74將樹脂的局部區(qū)域轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料55，控制器70就可以操作一個或者多個控制臂72來使碳化器74相對于工作表面66移動以繼續(xù)碳化過程，直到碳化器74將整個樹脂層轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料55。

在一些示例中，在系統(tǒng)60中使用的碳化器74包括感應熱源或者其它裝置，該其它裝置構(gòu)造為將熱量傳遞至沉積的復合材料混合物61的局部區(qū)域以快速提升復合材料混合物61的局部區(qū)域的溫度，從而使樹脂碳化并且將樹脂轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料。在一些示例中，與使用集中的激光形式的碳化器74相比較，可以將感應熱源應用于沉積的材料（例如，復合材料混合物61）的較大區(qū)域。在包含以感應熱源形式的碳化器74的這種示例中，系統(tǒng)60可以構(gòu)造為經(jīng)由打印頭68沉積局部的復合材料61的較大區(qū)域（例如，創(chuàng)建約1 mm至約10 mm的表面覆蓋率的多個材料滴或者材料微滴），然后使包含樹脂的復合材料61的較大區(qū)域碳化。此外，一旦碳化器74將樹脂的局部區(qū)域轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料55，控制器70就可以操作一個或者多個控制臂72來使碳化器74相對于工作表面66移動以繼續(xù)碳化過程，直到碳化器74將整個樹脂層轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料55。

在一些示例中，可以將碳化器74定位為與打印頭68相鄰。在這種構(gòu)造中，系統(tǒng)60可以構(gòu)造為進行迭代樹脂（例如，使包含諸如復合材料混合物61的樹脂的材料傾斜）沉積和碳化過程，從而使打印頭68沉積相對少量的材料（例如，復合材料混合物61），諸如，材料微滴或者材料滴，然后在打印頭68順序地沉積數(shù)量相對小的附加材料之前經(jīng)由碳化器74對新近沉積的材料進行幾乎瞬間的碳化。在一些示例中，可以與先前沉積的材料相鄰地（例如，圖3的x-y平面）側(cè)向沉積隨后沉積的材料，從而繼續(xù)在x-y平面中形成復合材料層54中的一層。在其它示例中，可以在先前沉積的材料上（例如，在圖3的z軸方向上）沉積隨后沉積的材料，從而繼續(xù)在z軸方向上形成復合材料層54中的一層，以有助于層的厚度。

在一些示例中，碳化器74可以構(gòu)造為在單一的時間內(nèi)使復合材料層54中的多于一層碳化。例如，在打印頭68在工作表面66上沉積多于一層復合材料混合物61之后，可以將碳化器74的參數(shù)（例如，加熱區(qū)域、功率/強度、加熱時間）設(shè)置為：在沉積的層的表面直接加熱較長一段時間（例如，幾秒至幾分鐘）以允許直接熱量滲透多個沉積的材料層并且使該多個沉積的材料層碳化以形成復合材料52。

如上所述，代替經(jīng)由三維打印系統(tǒng)60的打印頭69沉積復合材料混合物61，在一些示例中，三維打印系統(tǒng)可以構(gòu)造為沉積多個單獨碳纖維53，每個單獨碳纖維53涂布有樹脂，并且經(jīng)由碳化器74使樹脂碳化以形成復合材料52。例如，圖6是示出了另一示例三維打印系統(tǒng)100的示意圖，例如，該另一示例三維打印系統(tǒng)100用于通過沉積多個單獨碳絲或者前體碳絲（統(tǒng)稱為“碳絲”）來形成碳-碳復合材料部件50，其中，每個碳絲涂布有樹脂。三維打印系統(tǒng)100包括至少一個打印頭68、工作表面66、碳化器74、控制器70和一個或者多個控制臂72，它們的功能與關(guān)于系統(tǒng)60（圖4）所描述的功能大體上相同或者相似。

然而，與系統(tǒng)60（圖4）不同，系統(tǒng)100包括樹脂進給裝置102、碳絲進給裝置104和擠壓成型模塊106。在這種構(gòu)造中，在控制器70的控制下，系統(tǒng)100可以構(gòu)造為使用擠壓成型模塊106利用來自樹脂進給裝置102的樹脂來涂布來自碳絲進給裝置104大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲。一旦被涂布，模塊106就可以將大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）涂布的絲切成涂布有樹脂的單獨碳絲，可以經(jīng)由至少一個打印頭68直接或者間接在工作表面66上沉積該碳絲以形成涂布有樹脂的碳絲層。在離開打印頭68之前或者之后，可以通過系統(tǒng)60切割大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）涂布的碳絲。

在沉積在工作表面66上之后，可以按照與關(guān)于系統(tǒng)60（圖4）描述的方式大體上相同或者相似的方式利用碳化器74來加熱涂布有樹脂的碳絲，以引起樹脂碳化并且在某些情況下，使碳絲碳化以形成復合材料52。

圖7是示出了并入系統(tǒng)100以涂布具有樹脂的碳絲的示例擠壓成型模塊106的各個方面的示意圖，該碳絲然后切成單獨涂布的碳絲。如圖所示，通過樹脂涂布器108從碳絲進給裝置104進給大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲。來自碳絲進給裝置104的大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲可以是例如單獨的絲或者碳絲束，例如，盤繞在輥子上的碳絲束。代替通過樹脂涂布器108“推動”連續(xù)的碳絲，拉動模塊110通過樹脂涂布器108“拉動”來自碳絲進給裝置104的碳絲。拉動模塊110可以采用用于通過樹脂涂布器108拉動碳絲的一個或者多個合適的機構(gòu)，諸如，例如，履帶式拉動器（caterpillar puller）或者往復拉動器（reciprocating puller）。

雖然穿過樹脂涂布器108，但是利用由樹脂進給裝置102提供的樹脂來涂布連續(xù)的碳絲。例如，樹脂涂布器108可以采取充滿來自樹脂進給裝置102的液態(tài)樹脂的樹脂浴的形式。拉動模塊110通過樹脂浴中的樹脂拉動來自碳絲進給裝置104的連續(xù)的碳絲，例如以利用樹脂來涂布絲的外部。在離開樹脂涂布器108之后，大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲可以具有表現(xiàn)出任何合適的厚度的樹脂涂層。例如，可以經(jīng)由空氣冷卻淬火使在大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲上的樹脂冷卻以凝固樹脂涂層或者降低樹脂涂層的粘度。

隨后，拉動模塊110將涂布的碳絲進給至打印頭68。在離開打印頭68之后，切割模塊112將大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲切割/切碎成涂布有樹脂的單獨碳絲，然后經(jīng)由打印頭68將該單獨碳絲沉積在工作表面66上并且經(jīng)由碳化器74使該單獨碳絲碳化。切割模塊112可以包括任何合適的碳纖維切割/切碎技術(shù)，諸如，例如，具有切割輪的纖維切碎機。可以將單獨的碳絲切成任何合適的長度。例如，可以將大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）涂布的碳絲切成單獨的涂布的碳絲，該碳絲具有一英寸的約1/16（約1.5875 mm）至約3英寸（約7.62 cm）、例如一英寸的約1/8（約3.175 mm）至約3英寸（約7.62 cm）的長度?？梢赃x擇涂層相對于碳絲的直徑的厚度以為上述層提供樹脂和碳絲的組成范圍。

在圖6所示的示例中，系統(tǒng)100構(gòu)造為涂布大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲并且將絲切成單獨的涂布的碳絲。在其它示例中，三維打印系統(tǒng)可以構(gòu)造為接納預涂布的大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲，然后對該碳絲進行切割并且隨后經(jīng)由打印頭68沉積該碳絲。在其它示例中，在將碳絲進給至三維打印系統(tǒng)100中以經(jīng)由打印頭68進行沉積并且隨后經(jīng)由碳化器74進行碳化之前，對該碳絲進行預涂布和預切割。

在一些示例中，可以獨立于用于形成碳化的基體材料55的樹脂在工作表面66上沉積碳纖維53。例如，圖8是示出了示例三維打印系統(tǒng)120的示意圖，該示例三維打印系統(tǒng)120可以用于最初形成碳纖維層53中的一層，然后對在最初形成的碳纖維53上的樹脂隨后進行沉積和碳化?？梢灾貜驮撨^程以形成具有期望幾何結(jié)構(gòu)的碳-碳復合材料部件50。

在一些示例中，用于形成復合材料層54的碳纖維53可以形成為上述預制片。在這些示例中，在將用于形成復合材料層54中的單獨層的碳纖維的片添加至工作表面66（例如，直接或者間接添加至工作表面66）之后，經(jīng)由打印頭68在碳纖維的片上沉積來自樹脂進給裝置102的樹脂、然后通過在使樹脂碳化并且如果需要經(jīng)由碳化器74使碳纖維碳化來致密該片。

在一些示例中，打印系統(tǒng)120可以構(gòu)造為在利用樹脂進行致密之前也形成多層碳纖維。以這種方式，可以通過首先經(jīng)由構(gòu)造為沉積碳纖維材料的系統(tǒng)120的至少一個打印頭（圖8中未示出）在工作表面66上沉積碳纖維材料的多級過程形成復合材料52的復合材料層54。例如，系統(tǒng)120可以包括碳纖維材料進給裝置，從而可以直接在工作表面66上沉積碳纖維材料以例如形成第一碳纖維材料層，或者例如在復合材料52的先前形成的復合材料層54上形成沉積的碳纖維材料層的情況下，間接在工作表面66上沉積碳纖維材料。通過利用三維打印系統(tǒng)120來形成附加碳纖維層，可以形成z軸纖維（例如，在圖3的z軸方向上延伸的纖維）以允許在相鄰的復合材料層54之間的連接，這可以提供所產(chǎn)生的碳-碳復合材料部件的提高的強度，從而減少使層分層的機會。在沉積碳纖維材料之后，控制器70可以操作樹脂進給裝置102和打印頭68來在新近沉積的碳纖維材料上沉積樹脂。然后，可以對碳化器74進行接合以使新近沉積的樹脂碳化，從而形成復合材料層54的碳化的基體材料55。在一些示例中，如果需要，碳化器74也可以使碳纖維材料碳化，以將任何碳纖維前體材料轉(zhuǎn)換為碳纖維53。

在一些示例中，每個新添加的碳纖維層或者片可以是大體上平面的，例如，平面的或者幾乎平面的。在其它示例中，添加的碳纖維（72）層可以是非平面的，例如，呈波紋狀的或者波紋的碳纖維層。非平面碳纖維層可以提供對層分層的抵抗，尤其當附加碳纖維層包括上述預制片。

如圖8所示，系統(tǒng)120包括樹脂進給裝置102，該樹脂進給裝置102將樹脂材料進給至至少一個打印頭68，該至少一個打印頭68在工作表面66上沉積樹脂。在工作表面66上沉積樹脂之后，可以經(jīng)由碳化器74使樹脂碳化，以按照與上面關(guān)于系統(tǒng)60而描述的技術(shù)相似的方式將樹脂轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料55。在一些示例中，樹脂材料可以是樹脂材料的預制小球或者盤繞圈的形式。樹脂進給裝置102然后可以將樹脂材料加熱至熔化樹脂材料的溫度或者在其它方面以允許加熱的材料流出由打印頭68限定的一個或者多個出口的方式使樹脂材料軟化。例如，打印頭68可以包括限定一個或者多個開口的模具，在三維打印過程期間通過該一個或者多個開口迫使樹脂材料流出（例如，通過施加壓力）。打印頭68的模具的一個或者多個開口可具有允許打印的樹脂材料在經(jīng)由例如擠出過程被迫流出打印頭68時具有期望截面。

可以將流出打印頭68的樹脂材料朝著工作表面66引導，其中，例如，在樹脂沉積過程期間可以對碳纖維層進行定位。可以將流出打印頭68的樹脂材料引導至相對于碳纖維層的期望位置，以通過使用沉積的樹脂材料的期望方式來使碳纖維層滲入和致密。在三維打印過程期間可以在連續(xù)的或者不連續(xù)的基礎(chǔ)上經(jīng)由至少一個打印頭68沉積樹脂材料，并且可以通過使用一個或者多個控制臂72在連續(xù)的或者不連續(xù)的基礎(chǔ)上調(diào)整打印頭68在工作表面66上三維空間中相對于碳纖維層的位置。

在一些示例中，沉積的樹脂材料在經(jīng)過經(jīng)由碳化器74的碳化之前可以允許被冷卻和凝固。在這些示例中，打印頭68和碳化器74相對于工作表面66的三維定位可以由一個或者多個控制臂72單獨地操作。在其它示例中，在碳纖維層上沉積樹脂材料之后，可以使該沉積的樹脂材料立即碳化。在這些示例中，可以將打印頭68和碳化器74的三維定位定位為彼此相鄰（例如，在相同的可移動平臺上），并且可以使用同一個或者多個控制臂72來操作該三維定位。

參照圖5至圖8描述的系統(tǒng)僅僅是三維打印系統(tǒng)的一些示例，該三維打印系統(tǒng)可以用于在工作表面上沉積碳纖維（例如，碳纖維、碳纖維材料或者碳纖維前體材料）和樹脂，并且隨后使樹脂碳化，并且如果需要，使碳纖維碳化以形成復合材料52的多層碳-碳復合材料部件50。也考慮了用于形成根據(jù)本公開的示例的復合材料52層的其它系統(tǒng)或者系統(tǒng)的組合。例如，（Fryska等人）于2015年5月13日提交的標題為“Carbon Fiber Preforms”的美國專利序列第14/711,550號描述了使用可以與本文所描述的技術(shù)一起使用的三維打印機來形成碳纖維和樹脂的層的示例，該申請的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文；（Troester等人）于2015年5月13日提交的標題為“Carbon Fiber Preforms”的美國專利申請序列第14/711,426描述了使用可以與本文所描述的技術(shù)一起使用的三維打印機來形成碳纖維層，該申請的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文；（Troester等人）于2015年5月13日提交的標題為“Multilayered Carbon-Carbon Composite”的美國專利申請序列第14/711,590號描述了使用可以與本文所描述的技術(shù)一起使用的三維打印機來形成碳纖維和樹脂的層的示例，該申請的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文；（La Forest等人）于2015年5月13日提交的標題為“Carbon Fiber Preforms”的美國專利申請序列第14/788,271號描述了使用可以與本文所描述的技術(shù)一起使用的三維打印機來形成碳纖維和樹脂的層的示例，該申請的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文；并且（Fryska等人）于2015年5月13日提交的標題為“Carbon Fiber Preforms”的美國專利申請序列第14/711,508號描述了使用可以與本文所描述的技術(shù)一起使用的三維打印機來形成碳纖維層的示例，該申請的全部公開內(nèi)容以引用的方式并入本文。

圖9是示出了通過使用根據(jù)本公開的各個方面的三維打印系統(tǒng)來沉積復合材料層并且使復合材料碳化的示例技術(shù)的流程圖。為了便于說明，將圖9的示例技術(shù)描述為是經(jīng)由圖5的打印系統(tǒng)60進行的；然而，也考慮了適合于執(zhí)行三維打印以形成碳-碳復合材料的其它系統(tǒng)。

如圖所示，系統(tǒng)60的控制器70可以控制復合材料混合物進給裝置62、擠出機64和至少一個打印頭68的操作以沉積復合材料混合物61，該復合材料混合物61包括與在工作表面66上的樹脂混合的碳纖維（122）。在沉積復合材料混合物61之后，控制器70可以控制碳化器74以引起樹脂碳化，并且在某些情況下，使復合材料混合物61的碳纖維碳化以形成包括碳纖維53和碳化的基體材料55的復合材料52的第一層（例如，層54X₁）（124）。貫穿過程，控制器70可以經(jīng)由一個或者多個控制臂72控制打印頭68和碳化器74的位置以形成復合材料52的所產(chǎn)生的層。

在形成第一復合材料層之后，控制器70與復合材料混合物進給裝置62、擠出機64和至少一個打印頭68重新接合以在復合材料52的第一層上沉積附加層復合材料混合物61（126）?？刂破?0然后可以再次控制碳化器74以引起新近沉積的樹脂碳化，并且在某些情況下，使復合材料混合物61的附加層的碳纖維碳化以形成包括碳纖維53和碳化的基體材料55的復合材料52的附加層（例如，層54X₂）（128）?？梢园凑招枰貜筒襟E（126）和步驟（128）許多次以產(chǎn)生具有期望幾何結(jié)構(gòu)的多層碳-碳復合材料部件50（130）。

圖10是示出了通過沉積涂布有樹脂的碳絲并且使該碳絲碳化，以使用根據(jù)本公開的各個方面的三維打印系統(tǒng)形成復合材料52的多個復合材料層54來形成碳-碳復合材料部件50的另一示例技術(shù)的流程圖。為了便于說明，將圖10的示例技術(shù)描述為是經(jīng)由圖6和圖7的打印系統(tǒng)100進行的；然而，也考慮了適合于執(zhí)行三維打印以形成碳-碳復合材料的其它系統(tǒng)。

如所示，在一些示例中，系統(tǒng)100的控制器70控制樹脂進給裝置102、碳絲進給裝置104和擠壓成型模塊106的操作以利用樹脂來涂布大體上連續(xù)的（例如，連續(xù)的或者幾乎連續(xù)的）碳絲（140）。如上所述，可以使用任何相關(guān)裝置利用樹脂來涂布碳絲。圖7示出了示例擠壓成型模塊106，該擠壓成型模塊106可以構(gòu)造為利用上述樹脂來涂布碳絲，可以將該碳絲切成單獨的涂布的碳絲。在這些示例中，可以通過樹脂涂布器108從碳絲進給裝置104進給碳絲。代替通過樹脂涂布器108“推動”連續(xù)的碳絲，拉動模塊110通過樹脂涂布器108從碳絲進給裝置104“拉動”碳絲，該樹脂涂布器108將碳絲浸入在充滿來自樹脂進給裝置102的液態(tài)樹脂的樹脂浴中。在離開樹脂涂布器108之后，碳絲可以具有表現(xiàn)出任何合適的厚度的樹脂涂層。如上所述，在一些示例中，可以利用樹脂預涂布來獲得碳絲，從而在工作表面66上沉積涂布的碳絲之前不需要涂布碳絲（140）（142）。

一旦制成涂布的碳絲，然后就可以經(jīng)由例如拉動模塊110將涂布的碳絲進給至打印頭68，其中，在工作表面66上沉積涂布的碳絲（142）。在一些示例中，在工作表面66上沉積涂布的碳絲之前或者在工作表面66上沉積涂布的碳絲時可以將涂布的碳絲切成多個涂布的碳絲（142）。在工作表面66上沉積涂布的碳絲（142）之后，控制器70可以控制碳化器74以引起沉積的涂布的碳絲碳化，從而將樹脂轉(zhuǎn)換為碳化的基體材料55，并且如果需要，使碳絲碳化以形成碳纖維53（144），從而形成第一復合材料52層（例如，層54X₁）。此外，貫穿過程，控制器70可以經(jīng)由一個或者多個控制臂72控制打印頭68和碳化器74的位置以形成復合材料52的所產(chǎn)生的層。

接下來，控制器70可以操作打印頭68以在第一復合材料52層上沉積以例如涂布的碳絲層的形式的附加涂布碳絲（146）。然后，可以經(jīng)由上述碳化器74使新近沉積的涂布的碳絲碳化以在第一復合材料52層上形成附加復合材料52層（148）?？梢园凑招枰貜筒襟E（146）和步驟（148）許多次以產(chǎn)生具有期望幾何結(jié)構(gòu)的多層碳-碳復合材料部件50（150）。

圖11是示出了根據(jù)本公開的各個方面的另一示例技術(shù)的流程圖，該另一示例技術(shù)首先通過在三維打印機的工作表面上沉積碳纖維、然后在碳纖維上沉積樹脂并且隨后使用三維打印機的碳化器來使樹脂碳化以形成復合材料52的多個復合材料層54來形成碳-碳復合材料部件50。為了便于說明，將圖11的示例計算描述為是經(jīng)由圖8的打印系統(tǒng)120進行的；然而，也考慮了適合于執(zhí)行三維打印以形成碳-碳復合材料的其它系統(tǒng)。

如圖11所示，首先在工作表面66上沉積碳纖維（160）。如上所述，在一些示例中，可以將碳纖維預制為碳纖維片，該碳纖維片用作形成復合材料層54的每個相應層的碳纖維53的基礎(chǔ)。在其它示例中，如上所述，系統(tǒng)120可以構(gòu)造為使用碳纖維材料進給裝置和相關(guān)的打印頭（未示出）來在工作表面66上沉積碳纖維（160），以通過使用三維打印過程來沉積碳纖維材料。一旦在工作表面66上沉積碳纖維（160），控制器70就可以控制系統(tǒng)120的樹脂進給裝置102和打印頭68以在新近沉積的碳纖維上沉積樹脂，從而允許樹脂至少部分地滲入碳纖維（162）?？刂破?0然后可以控制碳化器74以引起樹脂碳化，從而形成碳化的基體材料55，并且如果需要，使碳纖維碳化以形成碳纖維53（164），從而形成第一復合材料52層（例如，層54X₁）。此外，貫穿過程，控制器70可以經(jīng)由一個或者多個控制臂72控制打印頭68和碳化器74的位置以形成復合材料52的所產(chǎn)生的層。

接下來，可以使用例如上述技術(shù)中的一種技術(shù)來在新近形成的第一復合材料52層上沉積附加碳纖維（166）?？刂破?0可以再次控制樹脂進給裝置102和打印頭68以在新添加的碳纖維上沉積樹脂，從而允許樹脂至少部分地滲入附加碳纖維（168）。控制器70然后可以控制碳化器74以引起樹脂碳化，從而在第一復合材料52層上形成附加復合材料52層（170）?？梢园凑招枰貜筒襟E（166）至步驟（170）許多次以產(chǎn)生具有期望幾何結(jié)構(gòu)的多層碳-碳復合材料部件50（172）。

已經(jīng)描述了用于形成碳-碳復合材料的不同技術(shù)的示例。在不同的示例中，本公開的技術(shù)可以實施在不同硬件、軟件、固件或者它們的任何組合中。在一些示例中，本公開的技術(shù)可以實施在一個或者多個處理器內(nèi)，該一個或者多個處理器包括一個或者多個微處理器、數(shù)字信號處理器（DSP）、專用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）、或者任何其它等效的集成或者離散邏輯電路系統(tǒng)以及這些部件的任何組合。在一些示例中，本公開的技術(shù)也可以嵌入或者編碼在包含指令的計算機可讀介質(zhì)（諸如，計算機可讀存儲介質(zhì)）中。嵌入或者編碼在計算機可讀存儲介質(zhì)中的指令可以使可編程處理器或者其它處理器執(zhí)行方法，例如，當執(zhí)行指令時。計算機可讀存儲介質(zhì)可以包括隨機存取存儲器（RAM）、只讀存儲器（ROM）、可編程只讀存儲器（PROM）、可擦除可編程只讀存儲器（EPROM）、電可擦除可編程只讀存儲器（EEPROM）、閃存、硬盤、CD-ROM、軟盤、盒式磁帶、磁介質(zhì)、光介質(zhì)或者其它計算機可讀介質(zhì)。

已經(jīng)描述了各個示例。這些和其它示例在所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)。