本公開涉及碳纖維預(yù)制件，例如，用于形成碳碳復(fù)合材料。

背景技術(shù)：

碳纖維加強(qiáng)的碳材料，也稱為碳碳（C-C）復(fù)合材料，是在碳材料的基體中包括加強(qiáng)的碳纖維的復(fù)合材料。碳碳復(fù)合材料可以使用在許多高溫應(yīng)用中。例如，航天航空工業(yè)用使用C-C復(fù)合材料作為摩擦材料（諸如制動(dòng)摩擦材料）用于商業(yè)以及軍用飛機(jī)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

描述了用于形成碳纖維預(yù)制件的設(shè)備、系統(tǒng)和技術(shù)。還描述了由這些技術(shù)產(chǎn)生的示例性碳纖維預(yù)制件和碳碳復(fù)合部件。在一些示例中，碳纖維預(yù)制件可以包括多個(gè)單獨(dú)層，每個(gè)層包括樹脂材料和碳纖維。單獨(dú)層可以通過使用三維打印系統(tǒng)沉積樹脂材料和碳纖維而在逐層的基礎(chǔ)上形成上。總之，單獨(dú)層可以形成具有希望幾何形狀的碳纖維預(yù)制件。例如，單獨(dú)層可以被堆疊以限定碳纖維預(yù)制件。

在一些示例中，碳纖維預(yù)制件可以包括由包括在樹脂基體材料（例如瀝青）中的多個(gè)碳纖維的復(fù)合材料形成的多個(gè)層。多層碳纖維預(yù)制件可以通過添加制造過程（例如三維打印）來形成，在該過程中單獨(dú)層被三維地順序地在逐層的基礎(chǔ)上形成，以生成具有希望幾何形狀的預(yù)制件。例如，單獨(dú)層可以經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭通過沉積熔化的復(fù)合材料而形成。熔化的復(fù)合材料固化以形成相應(yīng)的復(fù)合材料層。另外的熔化的復(fù)合材料可以被沉積在已形成的層上以形成另外的復(fù)合材料層。過程可以被重復(fù)并且在該過程期間打印頭所處的三維位置可以在自動(dòng)控制之下以使得熔化的復(fù)合材料被沉積的位置可以被控制以限定具有希望的三維形狀的多層碳纖維預(yù)制件。隨后碳纖維預(yù)制件被碳化并密實(shí)以產(chǎn)生密實(shí)的碳碳復(fù)合材料，諸如像碳制動(dòng)盤。

在其他示例中，碳纖維預(yù)制件可以包括各自通過沉積各自涂覆有樹脂的多個(gè)碳纖維而形成的多個(gè)層。多層碳纖維預(yù)制件可以通過添加制造過程（例如三維打?。┬纬?，在該過程中材料被以全部三維地例如在逐層的基礎(chǔ)上順序地沉積以生成由所沉積的材料的組合限定的具有希望的三維的形狀和幾何形狀的整體預(yù)制件。例如，單獨(dú)層可以通過沉積各自涂覆有樹脂的多個(gè)單獨(dú)碳纖維、隨后將各自涂覆有樹脂的另外的單獨(dú)碳纖維沉積在相應(yīng)的層上以形成另外的復(fù)合材料層而形成。過程可以被重復(fù)并且在過程期間打印頭所處的三維位置可以在自動(dòng)控制下以使得制成具有希望的三維形狀的多層碳纖維預(yù)制件。隨后可以將碳纖維預(yù)制件碳化并密實(shí)以生成密實(shí)的碳碳復(fù)合材料，諸如像碳制動(dòng)盤。

在一個(gè)方面中，本公開指向一種用于形成碳纖維預(yù)制件的方法。方法包括將復(fù)合材料沉積在基底上以形成復(fù)合材料的第一層，其中復(fù)合材料包括混合在樹脂基體材料中的多個(gè)碳纖維；以及將復(fù)合材料沉積在第一層上以在第一層上形成第二層， 其中碳纖維預(yù)制件包括復(fù)合材料的第一層和復(fù)合材料的第二層，并且包括多個(gè)碳纖維和樹脂基體材料。

在另一個(gè)方面中，本公開指向一種碳纖維預(yù)制件，其包括各自由沉積復(fù)合材料以限定相應(yīng)層而形成的多個(gè)層，其中復(fù)合材料包括混合在樹脂基體材料中的多個(gè)碳纖維，其中多個(gè)層包括復(fù)合材料的第一層和在第一層上的復(fù)合材料的第二層。

在另一個(gè)方面中，本公開指向一種密實(shí)的碳碳復(fù)合材料，包括密實(shí)的碳纖維預(yù)制件，其中碳纖維預(yù)制件包括各自由沉積復(fù)合材料以限定相應(yīng)層而形成的多個(gè)層，其中復(fù)合材料包括混合在樹脂基體材料中的多個(gè)碳纖維，其中多個(gè)層包括復(fù)合材料的第一層和在第一層上的復(fù)合材料的第二層。

在另一個(gè)方面中，本公開指向用于形成碳纖維預(yù)制件的方法，方法包括通過三維打印系統(tǒng)的打印頭將第一多個(gè)涂覆的碳纖維沉積在基底上以在基底上形成第一層，其中第一多個(gè)涂覆的碳纖維中的每個(gè)碳纖維包括涂覆有樹脂的碳纖維；以及通過三維打印系統(tǒng)的打印頭將第二多個(gè)涂覆的碳纖維沉積在第一層上在第一層上形成第二層，其中第二多個(gè)涂覆的碳纖維中的每個(gè)碳纖維包括涂覆有樹脂的碳纖維，并且其中碳纖維預(yù)制件包括涂覆的碳纖維的第一層和涂覆的碳纖維的第二層。

在另一個(gè)方面中，本公開指向包括多個(gè)堆疊的層的碳纖維預(yù)制件，多個(gè)堆疊的層包括通過三維打印系統(tǒng)的打印頭沉積第一多個(gè)涂覆的碳纖維而形成的第一層，以及第二層，通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭在第一層上沉積第二多個(gè)涂覆的碳纖維以在第一層上形成第二層而形成，其中第一多個(gè)和第二多個(gè)涂覆的碳纖維中的每個(gè)碳纖維包括涂覆有樹脂的碳纖維。

在另一個(gè)方面中，本公開指向包括密實(shí)碳纖維預(yù)制件的密實(shí)的碳碳復(fù)合材料，其中碳纖維預(yù)制件包括多個(gè)堆疊的層，多個(gè)層包括通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭沉積第一多個(gè)涂覆的碳纖維而形成的第一層，以及第二層，通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭在第一層上沉積第二多個(gè)涂覆的碳纖維以在第一層上形成第二層而形成，其中第一多個(gè)和第二多個(gè)涂覆的碳纖維中的每個(gè)碳纖維包括涂覆有樹脂的碳纖維。

一個(gè)或多個(gè)示例的細(xì)節(jié)在附圖中和下面的描述中闡述。本公開的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)根據(jù)描述和附圖以及根據(jù)權(quán)利要求是顯而易見的。

附圖說明

圖1是示出示例性的飛機(jī)制動(dòng)組件的示意性結(jié)構(gòu)圖。

圖2-4是示出根據(jù)本公開的各方面的示例性碳纖維預(yù)制件的概念圖。

圖5是示出可以用于制造圖2-4的示例性預(yù)制件的示例性三維打印系統(tǒng)的示意圖。

圖6是示出形成示例性碳纖維預(yù)制件和由碳纖維預(yù)制件形成的密實(shí)的碳碳復(fù)合材料的示例性方法的流程圖。

圖7是示出可以用于制造圖2-4的示例性預(yù)制件的另一個(gè)示例性三維打印系統(tǒng)的示意圖。

圖8是示出可以用于圖7的三維打印系統(tǒng)的示例性拉擠模塊的示意圖。

圖9是示出形成碳纖維預(yù)制件和由預(yù)制件形成的密實(shí)的碳碳復(fù)合材料的另一個(gè)示例性方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

本文描述了用于形成碳纖維預(yù)制件的示例性技術(shù)，以及由碳纖維預(yù)制件形成的碳碳復(fù)合材料和結(jié)構(gòu)。用于例如航天航空應(yīng)用（諸如制動(dòng)盤）中密實(shí)的C-C復(fù)合材料可以由已使用多種密實(shí)化技術(shù)密實(shí)的碳纖維預(yù)制件形成。例如，碳纖維預(yù)制件可以通過層疊由紡織或無紡碳纖維形成的織物薄片來形成，其隨后可以通過使用真空壓力浸透（VPI）用液態(tài)瀝青浸透預(yù)制件和/或樹脂傳遞成型（RTM），隨后進(jìn)行瀝青的碳化以實(shí)現(xiàn)顯示希望的最終密度的C-C復(fù)合材料。附加地或可選地，化學(xué)氣相滲透（CVI）或化學(xué)氣相沉積（CVD）可以用于使織物預(yù)制件或另外的碳預(yù)制件密實(shí)。在飛機(jī)制動(dòng)片的情況下，在一些示例中，碳化的預(yù)制件可以采用環(huán)形圈的形式，盡管也可以使用其他形狀。

根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)示例，碳纖維預(yù)制件可以包括由碳纖維和樹脂形成的多個(gè)層。在一個(gè)示例中，多個(gè)層可以通過順序地經(jīng)由添加制造過程沉積包括樹脂基體材料中的多個(gè)碳纖維的復(fù)合材料而形成。例如，碳纖維預(yù)制件可以包括多個(gè)層，其中每個(gè)層通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭將復(fù)合材料沉積到基底或之前形成的層上而形成。在該過程期間，打印頭的位置可以在三維空間內(nèi)受到控制，以使得層被三維地順序地形成以限定具有希望的幾何形狀的碳纖維預(yù)制件。

在一些示例中，單獨(dú)層可以通過經(jīng)由打印頭沉積熔化狀態(tài)的復(fù)合材料（熔化的復(fù)合材料）而形成，接著其固化以形成相應(yīng)的層，隨后在相應(yīng)的層上沉積另外的熔化的復(fù)合材料以形成另外的層。過程可以被重復(fù)并且在過程期間打印頭所處的三維位置可以在由三維打印系統(tǒng)的控制器的自動(dòng)的控制下，以使得制出具有希望的三維幾何形狀的多層碳纖維預(yù)制件。碳纖維預(yù)制件接著可以被碳化并且被密實(shí)以生成密實(shí)的碳碳復(fù)合材料，例如像碳制動(dòng)盤。

在其他示例中，碳纖維預(yù)制件的單獨(dú)層可以通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)的打印頭沉積各自涂覆有樹脂的多個(gè)單獨(dú)碳纖維而形成，而不是沉積包括混合在樹脂材料中的碳纖維的復(fù)合材料。在一些示例中，三維打印系統(tǒng)可以使用拉擠過程以用樹脂涂覆基本連續(xù)的（例如連續(xù)的）碳纖維絲并且隨后將涂覆的絲切割成涂覆有樹脂的單獨(dú)碳纖維。在一些示例中，基本連續(xù)的（例如連續(xù)的）碳纖維可以是碳纖維的單獨(dú)絲或碳纖維的絲束。單獨(dú)涂覆的碳纖維可以接著通過三維打印系統(tǒng)的打印頭沉積。此外，過程可以被重復(fù)并且打印頭所處的三維位置在過程期間可以在自動(dòng)控制下以使得制出具有希望的三維幾何形狀的多層碳纖維預(yù)制件。碳纖維預(yù)制件隨后可以被碳化并被密實(shí)以生成密實(shí)的碳碳復(fù)合材料，諸如像碳制動(dòng)盤。

本公開的示例可以允許一個(gè)或多個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，通過利用三維打印過程以通過沉積碳纖維和樹脂材料而形成碳纖維預(yù)制件，與其他現(xiàn)有的技術(shù)（諸如像層疊織物段隨后將層疊的織物段樹脂密實(shí)化）相比，碳纖維預(yù)制件可以在橫跨預(yù)制件的體積上被制造具有性質(zhì)（諸如像成分）的提高的控制（例如均勻性）。作為另一個(gè)示例，三維打印過程可以允許對預(yù)制件中碳纖維的定向的提高的控制，以使得預(yù)制件的密實(shí)化被提高，并且利用樹脂（諸如像瀝青），可以獲得密實(shí)的最終纖維基體，這可以提高用于氧化穩(wěn)定化的周期時(shí)間。

圖1是示出示例性組件10的概念圖，其可以包括根據(jù)本公開的技術(shù)形成的一個(gè)或多個(gè)碳碳復(fù)合材料部件。為了易于描述，本公開的示例將主要關(guān)于由碳碳復(fù)合材料形成的飛機(jī)制動(dòng)盤進(jìn)行描述。但是本公開的碳碳復(fù)合材料和碳纖維預(yù)制件可以用于形成除飛機(jī)制動(dòng)盤以外的部件。例如碳碳復(fù)合材料可以用于其他類型的制動(dòng)應(yīng)用中的摩擦材料，以及在其他應(yīng)用中，諸如像熱交換器和隔熱罩。

在圖1的示例中，飛機(jī)制動(dòng)組件10包括輪12、致動(dòng)器組件14、制動(dòng)疊層組件16和軸18。輪12包括輪轂20、輪外伸架凸緣22、胎圈密封膠24A和24B、長平頭螺栓26和四方螺帽28。致動(dòng)器組件14包括致動(dòng)器殼體30、致動(dòng)器殼體螺栓32以及撞擊件34。制動(dòng)疊層組件16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38；轉(zhuǎn)子盤36被構(gòu)造成相對于定子盤38移動(dòng)。轉(zhuǎn)子盤36通過梁式鍵40被安裝至輪12，并且特別是安裝至輪轂20。定子盤38通過花鍵44連接至軸18，并且特別是安裝至扭矩管42。輪組件10可以支撐任何種類的私人、商業(yè)或軍用飛機(jī)。

輪組件10包括輪18，在圖1的示例中，其由輪轂20和輪外伸架凸緣22限定。輪外伸架凸緣22通過長平頭螺栓26和四方螺帽28機(jī)械地固定至輪轂20。輪12限定胎圈密封膠24A和24B。在組裝期間，可充氣輪胎（未示出）可以放置在輪轂20之上并且由輪外伸架凸緣22固定在相對側(cè)上。之后，四方螺帽28可以被緊固在長平頭螺栓26上，并且可充氣輪胎可以與胎圈密封膠24A和24B一起膨脹，從而提供可充氣輪胎的不透氣的密封。

輪組件10可以通過扭矩管42和軸18安裝至飛機(jī)。在圖1的示例中，扭矩管42通過多個(gè)螺栓46固定至軸18。扭矩管42支撐致動(dòng)器組件14和定子38。軸18可以安裝至起落架(未示出)的支柱上以將輪組件10連接至飛機(jī)。

在飛機(jī)的操作期間，制動(dòng)可能不時(shí)地是必要的，諸如在著陸和滑行期間。輪組件10被構(gòu)造成通過致動(dòng)器組件14和制動(dòng)疊層組件16提供對飛機(jī)的制動(dòng)功能。致動(dòng)器組件14包括致動(dòng)器殼體30和撞擊件34。致動(dòng)器組件14可以包括不同種類的致動(dòng)器，諸如像機(jī)電致動(dòng)器、液壓致動(dòng)器、氣動(dòng)致動(dòng)器或類似致動(dòng)器中的一個(gè)或多個(gè)。在操作期間，撞擊件34可以從致動(dòng)器殼體30延伸離開以軸向地將制動(dòng)疊層組件16壓縮在壓縮點(diǎn)48上以用于制動(dòng)。

制動(dòng)疊層組件16包括交替的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38。轉(zhuǎn)子盤36通過梁式鍵40安裝至輪轂20以共同旋轉(zhuǎn)。定子盤38通過花鍵44安裝至扭矩管42。在圖1的示例中，制動(dòng)疊層組件16包括四個(gè)轉(zhuǎn)子和五個(gè)定子。但是在其他示例中在制動(dòng)疊層組件16中可以包括不同數(shù)量的轉(zhuǎn)子和/或定子。而且，轉(zhuǎn)子和定子的相對位置可以是相反的，例如，使得轉(zhuǎn)子盤36安裝至扭矩管42并且定子盤38安裝至輪轂20。

轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以提供相對摩擦表面用于制動(dòng)飛機(jī)。由于移動(dòng)的飛機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變成制動(dòng)疊層組件16中的熱能，所以制動(dòng)疊層組件16中的溫度可以快速升高例如超過200攝氏度。對于一些飛機(jī)，緊急制動(dòng)（例如中斷起飛）可以導(dǎo)致溫度超過500攝氏度，并且在一些情況下甚至超過800攝氏度。這樣，形成制動(dòng)疊層組件16的轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以包括能夠在這些溫度下操作的堅(jiān)固的熱穩(wěn)定的材料。

在一個(gè)示例中，轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38可以由根據(jù)本公開的一個(gè)或多個(gè)示例性技術(shù)（例如關(guān)于圖2描述的技術(shù)）制造的碳碳復(fù)合材料形成。特別地，至少一個(gè)轉(zhuǎn)子盤36和/或至少一個(gè)定子盤38可以由通過本公開的一個(gè)或多個(gè)示例性技術(shù)生成的碳纖維預(yù)制件制造的密實(shí)的碳碳材料形成。轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以由相同材料或不同材料形成。例如，輪組件10可以包括金屬轉(zhuǎn)子盤36和碳碳復(fù)合定子盤38，或反之亦然。而且，轉(zhuǎn)子盤36中的每個(gè)盤和/或定子盤38中的每個(gè)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(gè)盤可以由與轉(zhuǎn)子盤36和/或定子盤38中的至少另一個(gè)盤不同的材料形成。

如簡單提到的，在一些示例中，轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38可以分別通過梁式鍵40和花鍵44安裝在輪組件10中。在一些示例中，梁式鍵40可以圍繞輪轂20的內(nèi)部在周向上間隔開。梁式鍵40可以例如成形成具有相對端部（例如矩形的相對側(cè)）并且可以使一個(gè)端部機(jī)械地固定至輪轂20的內(nèi)部并且使相對的端部機(jī)械地固定至輪轂20的外部。梁式鍵40可以與輪轂20整體地形成或可以與輪轂20分離并機(jī)械地固定至輪轂20，例如以提供轉(zhuǎn)子盤36和輪轂20之間的熱屏障。朝向那個(gè)端部，在不同的示例中，輪組件10可以包括熱罩（未示出），熱罩圍繞制動(dòng)疊層組件16徑向并向外地延伸出例如以限制制動(dòng)疊層組件16和輪12之間的熱轉(zhuǎn)移。

在一些示例中，花鍵44可以圍繞扭矩管42的外部周向地間隔開。花鍵44可以例如與扭矩管42整體地形成，或可以與扭矩管42分離并機(jī)械地固定至扭矩管42。在一些示例中，花健44可以在扭矩管42上限定橫向的凹槽。這樣，定子盤38可以包括構(gòu)造成能被插入花鍵內(nèi)的多個(gè)徑向向內(nèi)設(shè)置的凹口。

因?yàn)榱菏芥I40和花鍵44可以分別與轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38熱接觸，所以梁式鍵40和/或花鍵44可以由包括例如關(guān)于轉(zhuǎn)子盤36和定子盤38的上述那些材料的熱穩(wěn)定材料制成。因此，在一些示例中，本公開的示例性技術(shù)可以用于形成用于輪組件10的梁式鍵和/或花鍵。

圖1中示出的示例性組件10僅是一個(gè)示例。在其他示例中，組件10和組件10的部件（例如輪10、致動(dòng)器組件14、制動(dòng)疊層組件16和軸18）可以具有另外的適合構(gòu)造。此外，在其他示例中，由示例性碳纖維預(yù)制件產(chǎn)生的本文描述的碳碳復(fù)合材料可以用于形成其他結(jié)構(gòu)，除了（或替代）盤36、38、鍵40和花鍵44中的一個(gè)或多個(gè)。

圖2是示出根據(jù)本公開各方面的示例性碳纖維預(yù)制件50的概念圖。如所示出的，預(yù)制件50是具有內(nèi)直徑（ID）、外直徑（OD）和沿z軸方向的厚度（T）（為了易于描述在圖2中示出正交的x-y-z軸）的環(huán)形圈。碳纖維預(yù)制件50由復(fù)合材料52形成，并包括通過沉積復(fù)合材料52形成的多個(gè)單獨(dú)層（在圖2中未示出），復(fù)合材料包括混合在樹脂基體材料中的碳纖維、涂覆有樹脂基體材料（在本文中也稱為樹脂）的碳纖維或兩者。為了易于描述，復(fù)合材料將主要描述為在樹脂基體材料中的碳纖維。

圖3是示出沿圖2所示的截面A-A取得的預(yù)制件50的示意圖。如所示出的，預(yù)制件50包括多個(gè)單獨(dú)層54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n，其中n是在z軸方向上單獨(dú)層的總數(shù)量。層總體上將被稱為層54?？偣驳兀@些單獨(dú)層限定了在z軸方向上預(yù)制件50的厚度T。各個(gè)單獨(dú)層由在樹脂基體材料55中的多個(gè)碳纖維53形成。單獨(dú)層54的厚度可以取決于用于給定應(yīng)用的復(fù)合材料的設(shè)計(jì)意圖。在一些示例中，單獨(dú)層的厚度可以在大約20密耳（大約0.635毫米（mm））和大約125密耳（大約3.175mm）之間，盡管可預(yù)期其他厚度。在一些示例中，預(yù)制件50的總厚度T可以在大約0.5英寸（大約1.27厘米（cm））至大約2.5英寸（大約6.35cm）之間，盡管可預(yù)期其他厚度。

圖4是示出沿x方向的預(yù)制件50的層54X₄的截面的示意圖，其表示預(yù)制件50的相應(yīng)的單獨(dú)層54的每個(gè)的構(gòu)造。如所示出的，層54X₄包括在x軸方向上并排對齊的多個(gè)單獨(dú)行56X₁、56X₂、56X₃、56X₄、…和56X_y，其中y是在x軸方向上單獨(dú)行的總數(shù)量。此外，每個(gè)單獨(dú)行56由通過三維打印系統(tǒng)的打印頭沉積的在樹脂基體材料55中的多個(gè)碳纖維53形成。行56組合以在x-y平面內(nèi)形成層54X₄，其還包括z軸方向上的厚度。

行56可以任何適合的構(gòu)造沉積以在x-y平面內(nèi)形成層54X₄。例如，行56可以是以網(wǎng)格圖案形成的直線形的行、例如從預(yù)制件50的ID到OD的同心圓或例如從預(yù)制件50的ID到OD的螺旋圖案（與同心圓的圖案相比這可以允許復(fù)合材料52連續(xù)的沉積）。單獨(dú)行56可以具有任何合適的寬度和截面形狀，這兩者可以取決于3D打印頭的設(shè)計(jì)并且可以基于由預(yù)制件形成的復(fù)合材料的設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行選擇。在一些示例中，單獨(dú)行可以具有基本圓形、橢圓形、矩形、三角形或其他適當(dāng)成形的截面并且可以具有大約5/16英寸（大約7.9375毫米（mm））至大約1/8英寸（大約3.175mm）的寬度。

如所描述的，復(fù)合材料52可以包括混合在樹脂基體材料55中的多個(gè)碳纖維53。可以使用任何適合的碳纖維，諸如像聚丙烯腈（PAN）纖維、瀝青纖維、氧化的PAN、源自PAN 的碳纖維、源自瀝青的碳纖維、人造纖維絲等。碳纖維可以在成品的復(fù)合材料中提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。碳纖維可以是單獨(dú)絲或碳纖維絲束。纖維和纖維絲束的長度可以從0.1”至基本連續(xù)（例如連續(xù)的）變化。每個(gè)碳絲的直徑可以小于或等于例如約20微米。在一些示例中，纖維的長度可以沿預(yù)制件的厚度T變化。例如，預(yù)制件50的外表面附近的纖維可以各自具有大約0.25英寸（大約6.35mm）的長度而預(yù)制件50的幾何中部附近的纖維可以具有大約3英寸（大約7.62cm）或更小的長度。

可以使用用于形成預(yù)制件50的任何適合的樹脂基體材料。例如，樹脂基體材料55可以是可碳化的樹脂或?yàn)r青材料以使得在碳化過程期間碳由樹脂形成。示例性樹脂基體材料包括但不限于合成纖維、煤焦油、石油的各向同性和中間相瀝青、酚醛樹脂、環(huán)氧樹脂或其他產(chǎn)碳樹脂。

在一些示例中，樹脂基體材料55可以包括瀝青。瀝青可以是富碳?xì)浠衔锊牧?，其可以例如從煤、焦油以及石油中提取。在一些示例中，瀝青還可以合成地生產(chǎn)。在不同的示例中，瀝青可以來自于單個(gè)源（例如煤）或可以是來自不同源的不同瀝青的組合。在一些示例中，瀝青可以是中間相瀝青。在其他示例中，瀝青可以是各向同性瀝青。也可預(yù)期中間相和各向同性瀝青的組合。

被沉積以形成預(yù)制件的復(fù)合材料52可以包括任何合適數(shù)量的碳纖維53和樹脂基體材料55，例如其允許復(fù)合材料52如本文所述地起作用。在一些示例中，復(fù)合材料可以包括大約45%至大約85%重量百分比（wt%）的碳纖維53，諸如像大約50wt%或大約80 wt%、大約80 wt%至大約85 wt%或大約45 wt%至大約50 wt%。復(fù)合材料52可以包括大約15 wt%至大約55 wt%的樹脂基體材料55，諸如像大約20 wt%至大約50 wt%、大約15 wt%至大約20 wt%或大約50 wt%至大約55 wt%的樹脂基體材料55，其中復(fù)合物的余量可以包括、包含或基本包含碳纖維53。在一些示例中，碳纖維53和樹脂基體材料55可以呈現(xiàn)碳纖維53與樹脂基體材料55大約50/50的比率。在一些示例中，復(fù)合材料52可以包括包括、包含或基本包含碳纖維53和樹脂基體材料55。在一些示例中，增加纖維的量可以提供由預(yù)制件50形成的更強(qiáng)的碳碳復(fù)合材料，而增加樹脂的量可以提供由預(yù)制件50形成的更密實(shí)的碳碳復(fù)合材料。

各個(gè)單獨(dú)層54和組成預(yù)制件50的各個(gè)單獨(dú)層54的單獨(dú)行56可以通過任何合適的添加制造過程形成。在一些示例中，在該過程期間，單獨(dú)層54和單獨(dú)行56可以三維地順序地形成以生成具有希望形狀的預(yù)制件50，如圖2中所示的具有厚度（T）的環(huán)形圈。在一些示例中，預(yù)制件可以具有約4英寸（約10.16cm）至約18英寸（約45.72cm）的內(nèi)直徑（ID），以及約10英寸（約25.4cm）至30英寸（約76.2cm）的外直徑（OD）和約0.5英寸（約1.27cm）至約2.5英寸（約6.35cm）的厚度（T）。其他范圍和幾何形狀是可預(yù)期的。

圖5是示出示例性三維打印系統(tǒng)60的示意圖，其可被使用例如以通過添加制造過程形成預(yù)制件50。可以使用構(gòu)造成使用添加制造技術(shù)沉積復(fù)合材料52以形成預(yù)制件50的任何合適的系統(tǒng)。為了易于描述，系統(tǒng)60依照擠壓沉積系統(tǒng)進(jìn)行描述。但是可預(yù)期用于形成預(yù)制件50的其他系統(tǒng)。

如所示出的，系統(tǒng)60包括復(fù)合材料進(jìn)料器62，復(fù)合材料進(jìn)料器被構(gòu)造成以批量的形式向擠壓機(jī)64輸送包括樹脂基體材料55中的碳纖維53的復(fù)合材料52。例如，復(fù)合材料52可以是預(yù)制的復(fù)合材料52的預(yù)制小球或螺旋環(huán)的形式。復(fù)合材料52可以由擠壓機(jī)64加熱至以允許加熱的材料流出由可移動(dòng)打印頭68限定的一個(gè)或多個(gè)出口的方式熔化復(fù)合材料52的溫度（例如加熱至液態(tài)或以其他方式軟化復(fù)合材料52）。流出打印頭68的材料可以例如直接沉積在工作表面66上，或者間接地沉積到之前沉積的復(fù)合材料52的一層或多層上。沉積的材料可以允許被冷卻以形成復(fù)合材料的固體層，并且過程可以通過調(diào)整打印頭68在工作表面66之上的三維位置而被重復(fù)，工作表面66在整個(gè)三維打印過程中支撐沉積的層。復(fù)合材料52可以通過打印頭68在打印過程期間在連續(xù)或不連續(xù)的基礎(chǔ)上沉積。在一些示例中，熔化和擠壓步驟可以在十字頭擠壓系統(tǒng)中執(zhí)行。

在圖5示出的示例中，系統(tǒng)60包括控制器70，其可在添加制造過程期間控制系統(tǒng)60的操作以提供具有希望幾何形狀的預(yù)制件50。例如，在沉積期間，控制器70可以控制附接至可移動(dòng)打印頭68的操縱臂72的移動(dòng)，以控制可移動(dòng)打印頭68相對于工作表面66的位置。以此方式，控制器70可以控制可移動(dòng)打印頭68相對于排出打印頭68的復(fù)合材料52的相對位置以例如通過沉積復(fù)合材料的單獨(dú)行56而形成預(yù)制件50的單獨(dú)層54，以使得預(yù)制件50展示希望的三維幾何形狀。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)或伺服電動(dòng)機(jī)可以用于移動(dòng)打印頭68并調(diào)整復(fù)合材料52流出打印頭68的流動(dòng)?？刂破?0可以被構(gòu)造以控制操縱臂72的位置以在x軸和y軸方向并且在一些示例中在z軸方向上移動(dòng)打印頭68。此外，控制器70可以控制添加沉積過程的一個(gè)或多個(gè)其他因素，諸如像在系統(tǒng)60內(nèi)的又一個(gè)位置處的復(fù)合材料52的溫度、從進(jìn)料器62向擠壓器64輸送復(fù)合材料的定時(shí)、打印頭68的位置和/或樹脂從打印頭68流出的流速。

在一些示例中，控制器70可以包括能夠響應(yīng)于接收到的和/或儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)而執(zhí)行和/或輸出命令信號(hào)的一個(gè)微處理器或多個(gè)微處理器?？刂破?0可以包括一個(gè)或多個(gè)處理器，包括一個(gè)或多個(gè)微處理器、數(shù)據(jù)信號(hào)處理器（DSP）、特定應(yīng)用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或任意其他等效的集成或分立的邏輯電路以及這些部件的任何組合。術(shù)語“處理器”或“處理電路”可以總體上指前述邏輯電路單獨(dú)或與其他邏輯電路組合的任一個(gè)，或者任意其他等效電路?？刂破?0可以包括計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)器，諸如只讀存儲(chǔ)器（ROM）、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）和/或快閃存儲(chǔ)器，或用于運(yùn)行應(yīng)用程序和處理數(shù)據(jù)以控制與系統(tǒng)60相關(guān)的操作的任何其他部件。因此，在一些示例中，控制器70可以包括存儲(chǔ)作為一個(gè)或多個(gè)存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)設(shè)備和/微處理器中的硬件、軟件和/或固件的指令和/或數(shù)據(jù)。在一些示例中，控制器可以使用在微控制器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）軟件包控制打印頭68?？刂破?0可以包括多個(gè)控制器或僅包括單個(gè)控制器。

圖6是示出根據(jù)本公開的各方面的形成預(yù)制件50并隨后由預(yù)制件50形成密實(shí)的碳碳復(fù)合材料的示例性技術(shù)的流程圖。為了易于說明，圖6的示例描述為通過圖5的系統(tǒng)60執(zhí)行。但是，可預(yù)期適合用于執(zhí)行碳預(yù)制件50的添加制造的其他系統(tǒng)。

如所示出的，在控制器70的控制下，系統(tǒng)60可以使得包括混合在樹脂基體材料55中的碳纖維53的批量復(fù)合材料52由擠壓機(jī)64加熱以將復(fù)合材料例如熔化到復(fù)合材料52可以流出打印頭68的狀態(tài)（80）。開始，打印頭68沉積復(fù)合材料以在工作表面66上形成復(fù)合材料的第一層例如層54X₁（82）。該過程可以包括形成單獨(dú)行（例如對應(yīng)于圖4中示出的用于層54X₄的行56）以在x-y平面內(nèi)形成復(fù)合材料的層54X₄。控制器70可以在整個(gè)過程中控制打印頭68的位置以提供希望的層的幾何形狀。

在復(fù)合材料52的層56X₁已冷卻從而固化層之后，在控制器70的控制下，打印頭68沉積復(fù)合材料52以在第一層54X₁上形成復(fù)合材料52的第二層（層54X₂）（84）。此過程更多地被重復(fù)以形成預(yù)制件50的層54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n（86）。此外，控制器70可以在整個(gè)沉積過程中控制打印頭68尤其是在三維中的位置，以使得復(fù)合材料52的層54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n的組合形成具有希望的三維幾何形狀的預(yù)制件50。

隨后，可以通過將預(yù)制件50的溫度加熱至大約550攝氏度至大約2450攝氏度而碳化多層碳纖維預(yù)制件50。在碳化過程期間，發(fā)生樹脂和纖維組分的高溫分解，并且較高分子量組分被分解成不同的氣體和碳。碳保留在碳化的部件中而氣體基本上被消除（例如消除或幾乎消除）。

在多層預(yù)制件50的碳化（88）之后，碳化的預(yù)制件可以使用化學(xué)氣相沉積（CVD）/化學(xué)氣相浸透（CVI）用含碳材料進(jìn)行密實(shí)（90）。例如，碳化的預(yù)制件可以經(jīng)歷一個(gè)或多個(gè)周期的CVD/CVI以填充在碳化過程期間由于氣體散出所導(dǎo)致的預(yù)制件50中的氣孔。碳化的預(yù)制件可以經(jīng)歷一個(gè)或多個(gè)周期的CVD/CVI直到材料顯示密實(shí)的密度。例如該材料可以顯示大于1.70克每立方厘米(g/cc)的密度，例如在大約1.75g/cc和大約1.90g/cc之間。

在一些CVD/CVI的示例中，碳化的預(yù)制件在壓力罐中在惰性氣體的覆蓋下諸如在100托以下的壓力被加熱。當(dāng)碳化的預(yù)制件達(dá)到約900攝氏度和約1200攝氏度之間的溫度時(shí)，惰性氣體被含碳?xì)怏w代替，含碳?xì)怏w諸如是天然氣、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯或乙炔，或這些氣體中至少兩種的組合。當(dāng)含碳?xì)怏w在碳化的預(yù)制件周圍流動(dòng)并流動(dòng)穿過碳化的預(yù)制件時(shí)，發(fā)生脫氫、冷凝和聚合反應(yīng)的復(fù)雜組合，因此碳原子沉積在碳化的預(yù)制件的內(nèi)部中和其表面上。隨著時(shí)間的推移，由于越來越多的碳原子沉積到碳化的預(yù)制件的氣孔的表面上，所以碳化的預(yù)制件變得更密實(shí)。此過程可以稱為密實(shí)化，由于碳化的預(yù)制件中的開放空間最終由碳基體填充直到形成大體實(shí)心的碳部件。美國專利申請公開號(hào)2006/0046059（Arico等人）提供了可以用于本文所述的技術(shù)的示例性CVD/CVI處理的概述，其全部公開內(nèi)容通過引用并入本文。在其他示例中，可以使用其他技術(shù)密實(shí)預(yù)制件50。

如上所述，在一些示例中，碳纖維預(yù)制件的單獨(dú)層可以通過經(jīng)由三維打印系統(tǒng)60的打印頭68沉積各自涂覆有樹脂的多個(gè)單獨(dú)碳纖維來形成，而不是沉積包括混合在樹脂材料中的碳纖維的復(fù)合材料。圖7是示出另一個(gè)示例性三維打印系統(tǒng)100的示意圖，其可以被使用以例如通過沉積多個(gè)單獨(dú)纖維（其中每個(gè)纖維涂覆有樹脂）形成預(yù)制件50。三維打印系統(tǒng)100包括基本與關(guān)于系統(tǒng)60（圖4）所述相同或類似地起作用的工作表面66、可移動(dòng)打印頭68、控制器70和操縱臂72。

但是，與系統(tǒng)60（圖4）不同的，系統(tǒng)100包括樹脂進(jìn)料器102、碳絲進(jìn)料器104和拉擠模塊106。在這樣的構(gòu)造中，在控制器70的控制下，系統(tǒng)100可以被構(gòu)造成使用拉擠模塊106用來自樹脂進(jìn)料器102的樹脂涂覆來自進(jìn)料器104的基本連續(xù)（例如連續(xù)）的碳絲。一旦被涂覆，模塊106就可以將基本連續(xù)（例如連續(xù)）的碳絲切割成涂覆有樹脂的單獨(dú)碳纖維，其可以通過打印頭68直接或間接地沉積在工作表面66上以形成涂覆有樹脂的碳纖維層?；具B續(xù)（例如連續(xù)）的涂覆的碳絲可以由系統(tǒng)60在排出打印頭68之前或之后被切割。

圖8是示出并入在系統(tǒng)100中以用樹脂涂覆連續(xù)的碳絲（其隨后被切割成單獨(dú)的涂覆的碳纖維）時(shí)的示例性拉擠模塊106的各方面的示意圖。如所示出的，基本連續(xù)（例如連續(xù)）的碳絲從碳絲進(jìn)料器104輸送通過樹脂涂覆器108。來自碳絲進(jìn)料器104的基本連續(xù)（例如連續(xù)）的碳絲是例如纏繞在輥?zhàn)由系膯为?dú)絲或碳絲絲束。拉出模塊110將碳絲從碳絲進(jìn)料器104“拉出”通過樹脂涂覆器，而不是將連續(xù)的碳絲“推送”通過樹脂涂覆器108。拉出模塊110可以使用一個(gè)或多個(gè)合適的機(jī)構(gòu)用于將碳絲拉出通過樹脂涂覆器108，諸如像履帶式拉出器或往復(fù)式拉出器。

在通過樹脂涂覆器108時(shí)，連續(xù)的碳絲被用從樹脂進(jìn)料器102提供的樹脂涂覆。例如，樹脂涂覆器108可以采用充滿來自樹脂進(jìn)料器102的液態(tài)樹脂的樹脂池的形式。拉出模塊110將來自進(jìn)料器104的連續(xù)的碳絲拉出通過池中的樹脂，例如以用樹脂涂覆絲的外面。在離開樹脂涂覆器108之后，基本連續(xù)（例如連續(xù)）的碳絲可以具有顯示任何合適厚度的樹脂涂層?；具B續(xù)（例如連續(xù)）的碳絲上的樹脂可以例如通過空氣淬冷冷卻以固化樹脂涂層或減小樹脂涂層的粘度。

隨后，拉出模塊110將涂覆的碳絲輸送到打印頭68。在離開打印頭68后，切割模塊112將基本連續(xù)（例如連續(xù)）的碳絲切割/割斷成涂覆有樹脂的單獨(dú)碳纖維，其接著通過打印頭68沉積到工作表面66上。切割模塊112可以包括任何合適的碳纖維切割/割斷技術(shù)，諸如像帶有切割輪的纖維割斷器。纖維可以被切割為任何合適的長度。例如，基本連續(xù)（例如連續(xù)）的涂覆的纖維可以被切割成具有大約1/16英寸（大約1.5875mm）至大約3英寸（大約7.62cm）的長度的單獨(dú)的涂覆的碳纖維，例如大約1/8英寸（大約3.175mm）至大約3英寸（大約7.62cm）。涂層相對于碳纖維直徑的厚度可以選擇成提供以上所述的層的樹脂和碳纖維組成范圍。

系統(tǒng)100僅是可以用于沉積涂覆的碳纖維以形成例如碳纖維預(yù)制件50的三維打印系統(tǒng)的一個(gè)示例。在所描述的示例中，系統(tǒng)100被構(gòu)造以涂覆基本連續(xù)（例如連續(xù)）的碳絲并且將絲切割成單獨(dú)的涂覆的碳纖維。在另一個(gè)示例中，三維打印可以被構(gòu)造以接收預(yù)涂覆的基本連續(xù)（例如連續(xù)）的碳絲，其接著被切割并隨后通過打印頭68沉積。在其他示例中，碳纖維在被輸入三維打印系統(tǒng)100中以通過打印頭68沉積之前被預(yù)涂覆和預(yù)切割。

圖9是示出根據(jù)本公開各方面的形成預(yù)制件50并隨后由預(yù)制件50形成密實(shí)的碳碳復(fù)合材料的另一個(gè)示例性技術(shù)的流程圖。圖9的示例描述為通過圖7的系統(tǒng)100執(zhí)行。但是，可預(yù)期適合用于執(zhí)行碳預(yù)制件50的添加制造的其他系統(tǒng)。

如所示出的，在控制器70的控制下，打印頭68沉積各自涂覆有樹脂的第一多個(gè)單獨(dú)纖維以在工作表面66上形成涂覆有樹脂的碳纖維的第一層，例如層54X₁（114）。該過程可以包括形成單獨(dú)行（例如對應(yīng)于圖4中所示的用于層54X₄的行56）以在x-y平面內(nèi)形成涂覆有樹脂的碳纖維的層54X₁。控制器70可以在整個(gè)過程中控制打印頭68的位置以提供希望的層的幾何形狀。在一些示例中，與例如如在圖6中沉積具有混合在樹脂基體材料中的碳纖維的復(fù)合材料相比，當(dāng)如在圖9中沉積單獨(dú)涂覆的纖維時(shí)在各個(gè)相應(yīng)層中的單獨(dú)纖維的定向的控制可以被加大。例如，圖9的技術(shù)可以提供在單獨(dú)層中在z軸方向定向的較高的控制，例如其中在單獨(dú)層中的一些或基本全部纖維可以被沉積以使得纖維延伸出x-y平面并基本沿（例如沿著或幾乎沿著）碳纖維的縱向軸線延伸進(jìn)z軸方向中。

隨后，打印頭68沉積各自涂覆有樹脂的第二多個(gè)單獨(dú)纖維以在第一層54X₁上形成涂覆的碳的第二層（層54X₂）（116）。此過程更多地被重復(fù)以形成預(yù)制件50的層54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n（118）。此外，控制器70可以在整個(gè)沉積過程中控制打印頭尤其是三維中的位置以使得復(fù)合材料52的層54X₁、54X₂、54X₃、54X₄、…和54X_n的組合形成具有希望的三維幾何形狀的預(yù)制件50。接著多層碳纖維預(yù)制件50可以如上關(guān)于圖6的示例性技術(shù)描述地被碳化（88）和密實(shí)（90）。

已描述了用于形成碳纖維預(yù)制件的不同技術(shù)的示例。在不同的示例中，本公開的技術(shù)可以在不同的硬件、軟件、固件或其任意組合中實(shí)施。在一些示例中，本公開的技術(shù)可以在一個(gè)或多個(gè)處理器中實(shí)施，一個(gè)或多個(gè)處理器包括一個(gè)或多個(gè)微處理器、數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）、特定應(yīng)用集成電路（ASIC）、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)或任意其他等效的集成或分立的邏輯電路以及這些部件的任何組合。在一些示例中，本公開的技術(shù)還可以包含或編碼在包含指令的計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)中，諸如計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)。包含或編碼在計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)中的指令可以使可編程處理器或其他處理器執(zhí)行本方法，例如當(dāng)指令被執(zhí)行時(shí)。計(jì)算機(jī)可讀存儲(chǔ)介質(zhì)可以包括隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）、可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EPROM）、電子可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）、快閃存儲(chǔ)器、硬盤、CD-ROM、軟盤、 盒式磁帶、磁性介質(zhì)、光學(xué)介質(zhì)或其他計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)。

已描述了各種示例。這些和其他示例在以下權(quán)利要求的范圍內(nèi)。