專利名稱：低厚度熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件和制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件，并且更確切地涉及這樣的部件其中存在具有小厚度，即2毫米(mm)以下的厚度的至少一部分。本發(fā)明更特別地應(yīng)用于航空和空間應(yīng)用的結(jié)構(gòu)部件，特別是用于燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動機、噴口排氣錐(divergents de tuyeres)等的后體部件。
背景技術(shù)：
對于這些部件，已經(jīng)提議使用熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，即具有使其適合用于構(gòu)成結(jié)構(gòu)元件的機械性質(zhì)并且具有在高溫下保持那些性質(zhì)的能力的復(fù)合材料。這種熱結(jié)構(gòu)材料特別地由碳/碳(C/C)復(fù)合材料(碳纖維增強件和碳基體)構(gòu)成，以及由陶瓷基體復(fù)合(CMC)材料構(gòu)成，例如C/SiC材料(具有碳化硅基體的碳纖維增強件)、C/C-SiC材料(具有碳與碳化硅混合基體的碳纖維增強件)或者甚至SiC/SiC材料。C/C或CMC材料部件的制造通常包括制備纖維預(yù)成型體，所述纖維預(yù)成型體的形狀對應(yīng)于待獲得且待構(gòu)成所述復(fù)合材料的纖維增強件的部件的形狀，以及隨后用所述復(fù)合材料的基體將所述纖維預(yù)成型體致密化。為了賦予所述復(fù)合材料所需的機械性質(zhì)，并同時留下足夠的通向所述復(fù)合材料的孔的通道以使得所述復(fù)合材料能夠用基體致密化，纖維體積比例(即部件的體積百分?jǐn)?shù)，或者被纖維占據(jù)的纖維增強件的表觀體積百分?jǐn)?shù))通常為25%至45%。所述纖維預(yù)成型體可通過懸垂(drapage)纖維層(例如單向紗或多向紗的織物層或片材)而獲得，有可能重疊多個層并將它們結(jié)合在一起(例如通過針織)。所述纖維預(yù)成型體還可由纖維結(jié)構(gòu)獲得，所述纖維結(jié)構(gòu)通過三維(3D)織造或者通過多層織造(通過緯紗將多個經(jīng)紗層連接在一起)而獲得。可通過使用液體技術(shù)或者通過化學(xué)氣相滲透(CVI)而用碳基體或陶瓷基體將所述纖維預(yù)成型體致密化。通過液體技術(shù)的致密化包括用包含樹脂的液體組合物浸潰所述纖維預(yù)成型體，所述樹脂為碳前體或陶瓷前體，并隨后聚合和熱解所述樹脂以獲得碳?xì)埩粑锘蛱沾蓺埩粑?，其中有可能進(jìn)行多次連續(xù)的浸潰、聚合和熱解循環(huán)。CVI致密化如下進(jìn)行將所述纖維預(yù)成型體置于密封容器(enceinte)中，并使反應(yīng)氣體在確定條件下(特別是壓力和溫度)進(jìn)入所述密封容器，從而使所述氣體擴散至所述預(yù)成型體中，并且能夠由于所述氣體的一種或多種成分分解或者由于所述氣體的多種成分之間的反應(yīng)而獲得基體材料的沉積物。對于具有特殊形狀的部件，特別是具有復(fù)雜形狀的部件，可進(jìn)行通過液體技術(shù)的初始固結(jié)步驟，同時使用合適的工具以使所述纖維預(yù)成型體保持所需的形狀，隨后繼續(xù)進(jìn)行致密化而無需工具協(xié)助(例如通過CVI)。以上技術(shù)是公知的，并且已經(jīng)被提議以制造用于航空和空間應(yīng)用的在運行中暴露于高溫的部件，特別是航空發(fā)動機的渦輪葉片、航空發(fā)動機的后體部分(如第二噴口)、 用于旁路潤輪的混合器、排氣錐或噴口調(diào)節(jié)片(volets de tuyere)以及用于火箭發(fā)動機的噴口?？商貏e地參照本申請人名下的以下文獻(xiàn)WO 2010/007308、WO 2010/061139、WO2010/061140 和 WO 2008/104692。當(dāng)部件或部件的一部分較薄時，存在制備纖維預(yù)成型體的問題，所述纖維預(yù)成型體適于獲得待制造部件所需的性質(zhì)。在于通過將重疊的層針織在一起而形成纖維預(yù)成型體的已知技術(shù)幾乎是不適合的，這是由于為了獲得薄的且具有均勻特性的纖維預(yù)成型體，需要起始于制備具有大得多的厚度的纖維結(jié)構(gòu)，并隨后僅使用其中心部分，由此造成材料的大量損失。
在于通過多層機織結(jié)構(gòu)而形成纖維預(yù)成型體的已知技術(shù)也存在缺陷。甚至當(dāng)使用具有最小市售重量的碳紗或陶瓷紗時，制備薄的部件仍需要減少多層織物中的層數(shù)，例如對于O. 75毫米的厚度僅有兩層(如文獻(xiàn)WO 2008/104692中所示)，而這可能影響所述部件的機械強度。另外，多層織造會產(chǎn)生不規(guī)則的表面狀態(tài)，并產(chǎn)生微孔(紗內(nèi))和大孔(紗之間)的締合。對于旨在用于航空和空間應(yīng)用的部件，例如氣流混合器或噴口，優(yōu)選獲得平滑表面狀態(tài)以避免干擾流體流動。使用具有高度不規(guī)則的表面狀態(tài)的預(yù)成型體會得到(甚至在致密化之后)表現(xiàn)出顯著的表面起伏的部件。確實有可能進(jìn)行表面加工以改進(jìn)這種狀況，然而，這會導(dǎo)致纖維被破壞或暴露，這是不合意的。另外，大孔的存在使得致密化之后將不可避免地存在殘留的不規(guī)則孔隙率。文獻(xiàn)WO 94/12708公開了二維經(jīng)紗和緯紗織物，其適合用于制備用于復(fù)合材料部件的增強織物組織，所述織物經(jīng)受其中構(gòu)成所述織物的紗通過振動而被鋪展開的操作，從而提高了纖維體積比例。文獻(xiàn)EPO 302 449中也描述了通過振動而鋪展二維織物以消除織物中的孔洞，并由此提高了纖維體積比例。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為提供一種熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件，其適合用于上述應(yīng)用，并同時確保所述部件的至少一部分顯示小的厚度，所述熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件具有通過多層織造而獲得的纖維增強件，所述織造使用相對較大數(shù)量的層，包括小厚度部分。此目標(biāo)通過如下的部件而實現(xiàn)，在所述部件的至少一部分中·所述部件的厚度為2毫米以下； 所述纖維增強件由單一厚度的多層織物構(gòu)成，所述多層織物由鋪展的紗制成，所述紗的重量為至少200tex ；·纖維體積比例為25%至45% ;和·所述多層織物的層數(shù)與所述部件以毫米計的厚度之間的比例不少于4。在所述部件的所述部分中，厚度甚至可為I毫米以下。優(yōu)選地，所述織物中的紗的層數(shù)不少于3。術(shù)語“層數(shù)”在本文用于意指經(jīng)紗的層數(shù)。所述多層織物可具有多層平紋、多層嗶嘰或多層緞紋類型的織法。所述基底可至少部分地由陶瓷制成，特別是當(dāng)所述部件構(gòu)成用于燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動機的后體部件時。在另一個特定應(yīng)用中，所述部件構(gòu)成火箭發(fā)動機排氣錐的至少一部分，其中所述基體可由碳或陶瓷制成。本發(fā)明還提供一種獲得這種部件的方法，所述方法包括制備碳或陶瓷纖維預(yù)成型體，并用基體將所述預(yù)成型體致密化，在所述方法中，為了制備具有2毫米以下的厚度的預(yù)成型體的至少一部分，進(jìn)行以下步驟·制備紗重量不少于200tex的多層織物；·使所述織物經(jīng)受鋪展所述紗的操作，從而減少所述多層織物的厚度；和·由所述鋪展的多層織物制備所述預(yù)成型體部分，所述預(yù)成型體部分的厚度由單一厚度的鋪展的織物構(gòu)成，所述鋪展的織物具有不少于4的所述織物的層數(shù)與所述預(yù)成型體部分以毫米計的厚度之間的比例；選擇在織造過程中的所述多層織物的線支數(shù)，從而在所述纖維預(yù)成型體中獲得25 %至45 %的體積纖維比例。
優(yōu)選地，所述多層織物的層數(shù)不少于3。優(yōu)選用多層平紋、多層嗶嘰或多層緞紋類型的織法進(jìn)行所述多層織造。本發(fā)明的出眾之處在于，通過鋪展所述多層織物的紗，有可能產(chǎn)生具有小的厚度的纖維預(yù)成型體，所述纖維預(yù)成型體使得薄的部件或部件部分(即厚度為2毫米以下或者甚至為I毫米以下)能夠由復(fù)合材料制得，并同時保持足夠數(shù)量的紗層的存在以獲得良好的機械性質(zhì)。所預(yù)期的目標(biāo)并不是具有一種纖維預(yù)成型體，所述纖維預(yù)成型體具有高于現(xiàn)有技術(shù)的纖維體積比例。因此，當(dāng)制備纖維預(yù)成型體時，需要改變所述多層織物的線支數(shù)，從而在鋪展之后具有所需的纖維體積比例。鋪展所述多層織物的紗的有利之處還在于其有可能減少所述多層織物的大孔隙率(紗之間的間隔)，這有利于將所述預(yù)成型體致密化。所獲得的另一個優(yōu)勢在于降低了所述多層織物的表面起伏，由此有可能在所得部件上獲得改進(jìn)的表面狀態(tài)以用于航空領(lǐng)域中的應(yīng)用。


參照附圖，通過閱讀以非限制性指示的方式給出的以下描述，可更好地理解本發(fā)明，在附圖中·圖I顯示了制造本發(fā)明的一個實施方案中的復(fù)合材料部件的步驟；·圖2為多層嗶嘰類型的多層織物的織法方案；·圖3為多層緞紋類型的多層織物的織法方案； 圖4和圖5為用光學(xué)顯微鏡拍攝的視圖，其顯示了通過本發(fā)明方法和現(xiàn)有技術(shù)方法獲得的復(fù)合材料的薄的部分的截面；和·圖6為多層平紋類型的多層織物的織法方案。
具體實施例方式以下參照圖I描述一種制造熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件的方法，在此實施例中待制造的部件為具有基本上均勻厚度的薄的部件。所述方法的第一步驟10在于提供多層織物。所述織物由碳紗或陶瓷紗制成。有利地，使用重量不少于200tex的市售紗。多層或三維織造在于通過緯紗將經(jīng)紗的層連接在一起，所述緯紗的至少一些將屬于不同層的經(jīng)紗抓住。紗的層數(shù)優(yōu)選不少于3。有利地，用多層平紋、多層嗶嘰或多層緞紋類型的織法進(jìn)行織造。可以設(shè)想其他織法，如雙羅紋類型的織法?？蓞⒄瘴墨I(xiàn)WO 2006/136755，其內(nèi)容通過弓I用并入本文，此文獻(xiàn)描述了各種類型的多層織法。所述方法的第二步驟20在于鋪展所述多層織物的紗，以減少所述織物的厚度。所述鋪展可通過使所述織物經(jīng)受射流作用或者經(jīng)受機械振動來進(jìn)行。用于鋪展常規(guī)二維織物中的紗的方法是已知的。可特別地參照文獻(xiàn)WO 2005/095689,WO 96/41046,US 5557831和上文提及的文獻(xiàn)WO 94/12708。為了促進(jìn)鋪展，優(yōu)選織造由幾乎無捻度的長絲所組成的紗。鋪展有可能使所述織物的厚度在鋪展之后達(dá)到所述織物在鋪展之前的初始厚度的85%以下的值，例如達(dá)到所述初始厚度的70%至85%的厚度。接著，通過所述鋪展的織物來制備(步驟30)形狀對應(yīng)于待制造部件的形狀的纖維預(yù)成型體。有可能使用鋪展的織物的單層，或者并排排列并沿著其相鄰的邊連接(例如通過縫合)在一起的多個層。在所有情況下，所述纖維預(yù)成型體的厚度由單一厚度的織物構(gòu)成。制備所述纖維預(yù)成型體可包括通過工具(如整形器或夾具)成形的步驟。在成形過 程中，可通過例如在模具和反模具(contre-moule)之間或者在模型和隔膜(membrane)之間施加壓力來進(jìn)行壓實。在壓實之后獲得的纖維預(yù)成型體(若有的話)具有2毫米以下或者甚至I毫米以下的厚度，并具有25%至45%的纖維比例，其中所述纖維比例為由紗的纖維實際占據(jù)的所述預(yù)成型體的表觀體積百分?jǐn)?shù)，所述體積的剩余部分由鋪展的紗之內(nèi)的孔以及所述紗之間的孔構(gòu)成。形成所述預(yù)成型體的織物的層數(shù)與所述纖維預(yù)成型體以毫米計的厚度之間的比例不少于4。因此，對于所需的纖維預(yù)成型體厚度e，并取決于可獲得的紗的重量，將數(shù)η選擇用于所述多層織物的層，以使得η > 4e并且使得η < ，其中為在所述紗已被最大化地鋪展并在壓實所述預(yù)成型體(若有的話)之后能夠獲得所需的厚度的最大層數(shù)。以下的表I給出了由陶瓷(SiC)紗獲得的薄的預(yù)成型體的兩個實施例，這些實施例在下文中進(jìn)一步更詳細(xì)地描述。線支數(shù)表示成在每一層經(jīng)紗中在緯向上每厘米的經(jīng)紗數(shù)量，以及表示成在每一層緯紗中在經(jīng)向上每厘米的緯紗數(shù)量。給出的鋪展值為在所述紗已經(jīng)鋪展之后在所述多層織物表面上的經(jīng)紗和緯紗的寬度的變化的平均值，所述變化表示成在鋪展之前所述纖維的紗的寬度的百分?jǐn)?shù)。所述鋪展的織物的厚度在5千帕(kPa)的負(fù)載下測量，即在施加5千帕壓力的兩塊板之間測量。表I
權(quán)利要求
1.一種由熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料制成的部件，所述熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料包括由基體致密化的碳或陶瓷纖維增強件，所述部件的特征在于，在所述部件的至少一部分中 所述部件的厚度為2毫米以下； 所述纖維增強件由單一厚度的多層織物構(gòu)成，所述多層織物由鋪展的紗制成，所述紗的重量為至少200tex ； 纖維體積比例為25%至45% ;和 所述多層織物的層數(shù)與所述部件以毫米計的厚度之間的比例不少于4。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的部件，其特征在于至少在所述部件的所述部分中，所述部件的厚度為I毫米以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或權(quán)利要求2所述的部件，其特征在于所述多層織物的層數(shù)不少于3。
4.根據(jù)權(quán)利要求I至3中任一項所述的部件，其特征在于所述多層織物具有多層平紋、多層嗶嘰或多層緞紋類型的織法。
5.根據(jù)權(quán)利要求I至4中任一項所述的部件，其特征在于所述基體至少部分由陶瓷制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的部件，其構(gòu)成燃?xì)鉁u輪航空發(fā)動機的后體部件。
7.根據(jù)權(quán)利要求I至5中任一項所述的部件，其構(gòu)成火箭發(fā)動機噴口排氣錐的至少一部分。
8.—種制造熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件的方法，所述方法包括制備碳或陶瓷纖維預(yù)成型體，并用基體將所述預(yù)成型體致密化，所述方法的特征在于，為了制備具有2毫米以下的厚度的所述預(yù)成型體的至少一部分，進(jìn)行以下步驟 制備紗重量不少于200tex的多層織物； 使所述織物經(jīng)受鋪展所述紗的操作，從而減少所述多層織物的厚度；和 由所述鋪展的多層織物制備所述預(yù)成型體部分，所述預(yù)成型體部分的厚度由單一厚度的鋪展的織物構(gòu)成，所述鋪展的織物具有不少于4的所述織物的層數(shù)與所述預(yù)成型體部分以毫米計的厚度之間的比例； 選擇在織造過程中的所述多層織物的線支數(shù)，從而在所述纖維預(yù)成型體中獲得25%至45%的體積纖維比例。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于使用其中層數(shù)不少于3的多層織物。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于使用多層平紋、多層嗶嘰或多層緞紋類型的織法進(jìn)行所述多層織造。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種低厚度熱結(jié)構(gòu)復(fù)合材料部件，其包括具有由碳或陶瓷制成的纖維的纖維增強件，所述纖維增強件由至少部分薄的基體α致密化，其中所述部件的厚度為2毫米以下，或者甚至為1毫米以下；所述纖維增強件由單一厚度的多層織物制成，所述多層織物由鋪展的紗制成，所述紗具有至少等于200tex的支數(shù)；所述纖維體積百分比為25％至45％之間；且多層織物的層數(shù)與所述部件以毫米計的厚度之間的比例至少等于4。
文檔編號F02K9/97GK102712546SQ201080048854
公開日2012年10月3日 申請日期2010年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月30日
發(fā)明者D·庫佩, E·菲利普, F·沙勒 申請人:斯奈克瑪動力部件公司