Una matriz de fibra y un método para elaborar una matriz de fibra.

Un método para elaborar una matriz de fibra, el método comprende

a) suministrar un material de partida que comprende portador líquido,

fibras y ligador, en donde las fibras comprenden fibras de carbono;

b) pasar el material de partida sobre el sustrato con el fin de depositar las fibras sobre el sustrato;

c) formar una matriz de fibra tridimensional estocástica, en donde la matriz tiene fibras dispuestas en las direcciones x, y y z, y estas fibras se orientan de manera aleatoria; y

d) curar el ligador;

en donde el método comprende curar el ligador al aplicar calor mientras se aplica una presión de desde 100 kPa a 50000 kPa, y en donde la presión se aplica a la matriz fibrosa mientras que la matriz contiene humedad con una proporción de fibra de líquido de desde 1: 2 a 1: 14.

Una matriz de fibra y un método para elaborar una matriz de fibra

Esta invención se relaciona con una preforma basada en fibra y con un método para elaborar una matriz de fibra tal como una preforma. La preforma es adecuada para uso en aplicaciones que resisten ablación, alto desempeño, fricción, desgaste y corrosión. En particular, la invención se relaciona con un método para producir una matriz a base de carbón para uso en aplicaciones de alta temperatura tal como frenos, carcasas de motores de cohetes y similares.

Es bien conocido elaborar preformas para uso en aplicaciones de compuestos carbono-carbono. Morgan en Carbón Fibres and their Composites de talla preformas y métodos de producir tales preformas como precursores en la producción de compuestos de carbono.

También es conocido fabricar preformas a base de fibra de otras fibras tales como carburo de silicio, fibras PPS, fibras PEEK o fibras de óxido cerámico. Tales compuestos se utilizan comúnmente en aplicaciones para frenos después de haber sido sometida a pirólisis. Una forma de proceso de pirólisis es la deposición de vapor químico mediante hidrocarburos y gas. Tal proceso es comúnmente denominado CVD. Un proceso de pirólisis alternativo es la infusión por resina mediante resina termo endurecida o impregnación de líquido mediante materiales de alquitrán y silicona líquida. Tales procesos son comúnmente denominados como procesos CVI.

Es conocido utilizar pre-pregs (fibras compuestas preimpregnadas) no tejidas, unidireccionales, bidireccionales y tridireccionales estopas seccionadas y de fibra. Estos materiales se han utilizado como base para procesos de infusión a mayor temperatura.

Los compuestos carbono-carbono para uso en aplicaciones de alta temperatura tienen deseablemente un alto volumen de fibras en la estructura final. Los materiales no tejidos tienen que ser sometidos a tratamientos intensivos con calor y a menudo se encogen durante el proceso de carbonización. Además, es bien conocido que tales materiales tienen una fracción de volumen de fibra bajo a menos que ellos se hayan comprimido. Adicionalmente, es bien conocido en la técnica que la fibra de carbono tiene una naturaleza friable y que el sobre uso de las fuerzas de compresión dará como resultado una significativa ruptura de la fibra de carbono dentro de un cuerpo de la preforma. Algunos compuestos se han comprimido pero el contenido de carbono total ha sido pequeño y el carbono utilizado ha sido de nano partículas.

Los pre-pregs tejidos se pueden utilizar para mejorar la fracción del volumen de fibra de una preforma. Los pre-pregs tejidos se pueden utilizar en capas en las cuales cada una tiene un grosor finito y un peso base y se puede unir un número de capas juntas para formar la preforma final. En cada capa el alineamiento x/y de la construcción de la fibra promueve la formación de película a velocidades rotacionales bajas y reduce así el desgaste de corte a temperatura baja en aplicaciones de frenos. Sin embargo, es deseable tener fibras de dirección z, es decir, a través de la orientación del plano de la fibra, para asegurar que una estructura interna del cuerpo preformado no sufrirá una falla de corte catastrófico en una interface de las capas adyacentes. Típicamente, este problema ha sido resuelto mediante cosido con aguja o dando puntadas. Tales procesos se enseñan en los documentos US 5 143184 y US 5599 63.

El cosido con aguja y dando puntadas también se pueden utilizar para mejorar la fracción de volumen final del sustrato de preforma en el caso de materiales no tejidos. En el documento US 5 599 63 las telas no tejidas son cocidas o cosidas con aguja al grosor deseado.

El atractivo del cosido con aguja se establece por ejemplo en los documentos US 6 361 722, US 5 83 21 y EP 1 813 833. Se acepta de manera general que el cosido con agujas se requiere con el fin de obtener una preforma que tenga una fracción del volumen de fibra suficientemente alta. La fracción de volumen final se considera como un factor limitante cuando se considera el uso de una tela en un pre-preg final. Si la fracción de volumen de fibra es insuficientemente alta antes de la densificación, el material puede ser adecuado para aplicaciones de ablación menos exigentes pero las fracciones de volumen de fibra bajas pueden hacer prohibitivo el uso de la preforma en aplicaciones de alto desgaste tales como las aplicaciones de desempeño de los frenos.

Una fracción superior del volumen del cuerpo de la fibra se puede obtener utilizando materiales tejidos pero se requiere un cuidadoso manejo y atención al detalle en el proceso de construcción mediante el uso de capas múltiples y la construcción de la preforma antes de la densificación en razón a que es necesario asegurar que las múltiples capas estén recubiertas en secuencias geométricas específicas en razón a que la orientación de las fibras en cada capa se debe alterar para retirar la posibilidad de una fractura catastrófica a través del plano. La presencia de múltiples capas requiere el uso de cosido con agujas o dando puntadas como se detalla en el documento US 28/964. Como consecuencia puede tomar un considerable periodo de tiempo, tal como varias semanas, producir la preforma.

Es conocido elaborar preformas de fibras de carbono que contienen suspensiones y un ligador como se establece en Structure and Properties of Carbón Fibre based absorbent Monoliths by Burchell, Judkins Roger and Shaw and in SBIR Phase 1 Final Report By Materials Innovation Materials LLC. En los métodos conocidos es necesario suministrar agitación de la suspensión y un molde que tenga un formador poroso es bajado a una suspensión, y 5 luego levantado de la mezcla de suspensión. Las fibras se asientan sobre el formador poroso. El agua y otros solventes se pueden remover del formador al aplicar un vacío. Alternativamente, el material de suspensión proveniente de un tanque se le ha permitido fluir hacia abajo a un formador poroso y se ha aplicado un vacío en algunos métodos al formador poroso para arrastrar el solvente a través del formador y dejar las fibras de carbono en el molde.

Documento US 5 744 75 describe una preforma de compuesto de fibra de carbono con matriz de carbono densificada hecha al moldear al vacío una suspensión acuosa de fibras de carbono y polvo orgánico carbonizable para formar una parte moldeada. La parte moldeada es secada en un horno a 5°C durante 14 horas y comprimida en callente a 2 psi a 4°C durante 3 horas. La parte presionada en caliente es carbonizada a 65°C bajo nitrógeno durante 3 horas y grafitada a 24°C para formar una estructura grafitica en la matriz de la preforma de 15 compuesto de fibra de carbono con matriz de carbono densificado. La preforma densificada tiene una densidad mayor de 1.1 g/cc.

El documento US 26/177663 describe un método para elaborar un artículo de compuesto carbono- carbono tal como un disco de freno de aeronave. El método incluye: seleccionar los precursores de fibra de carbono, que tengan un encogimiento limitado en la dirección axial cuando se carbonizan, en la forma de fibras seccionadas o cortadas 2 Individualizadas; colocar los precursores de las fibras de carbono seccionadas o cortadas seleccionadas en un molde de preforma configurado en la forma de un disco de freno para formar una matriz fibrosa; y entonces coser con aguja la matriz fibrosa moldeada para suministrarla con una integridad estructural tridimensional y reducir la formación de capa. La matriz precursora de fibra de carbono puede ser infundida posteriormente con un precursor de matriz de carbono líquido, la matriz Impregnada se puede carbonizar; la matriz impregnada se puede carbonizar; 25 por ejemplo, a 6- 18°C durante 1-1 horas para suministrar una preforma que tenga una densidad de al menos aproximadamente 1.1 g/cc, y la preforma carbonizada se puede además densificar a una densidad de al menos aproximadamente 1.6 g/cc mediante técnicas de infiltración de resina liquida conocidas y/o mediante un procesamiento CVI/CVD convencional.

El documento US 27/269644 enseña un método para fabricar una lámina termoplástica reforzada con fibra, 3 porosa, que tiene unas propiedades de ajuste incrementadas. El método incluye agregar fibras de refuerzo que tienen una longitud promedio de aproximadamente 5 mm a aproximadamente 5 mm, y partículas de polvo de resina termoplástica a una espuma acuosa agitada para formar una mezcla dispersa, que pone la mezcla dispersa de fibras reforzadas y partículas de resina termoplástica hacia abajo sobre una estructura de soporte, evacuando el agua para formar una red, que genera una orientación en el eje z de una porción de las fibras de refuerzo, calentando la red 35 por encima de la temperatura de transición vitrea de la resina termoplástica,... [Seguir leyendo]

1. Un método para elaborar una matriz de fibra, el método comprende

a) suministrar un material de partida que comprende portador líquido, fibras y ligador, en donde las fibras comprenden fibras de carbono;

b) pasar el material de partida sobre el sustrato con el fin de depositar las fibras sobre el sustrato;

c) formar una matriz de fibra tridimensional estocástica, en donde la matriz tiene fibras dispuestas en las direcciones x, y y z, y estas fibras se orientan de manera aleatoria; y

d) curar el ligador;

en donde el método comprende curar el ligador al aplicar calor mientras se aplica una presión de desde 1 kPa a 5 kPa, y en donde la presión se aplica a la matriz fibrosa mientras que la matriz contiene humedad con una proporción de fibra de líquido de desde 1: 2 a 1: 14.

2. Un método de acuerdo a la reivindicación 1 en donde el 1% en peso o más de las fibras son fibras de carbono.

3. Un método de acuerdo a la reivindicación 1 o reivindicación 2 en donde la matriz tridimensional se forma al:

i) aplicar una fuerza de vacío a las fibras sobre el sustrato; o

ii) crear un flujo caótico del material de partida sobre el sustrato, o

iii) crear un flujo caótico de material de partida sobre el sustrato y aplicar una fuerza de vacío a las fibras sobre el sustrato.

4. Un método de acuerdo con la reivindicación 3, opción ii) o iii) en donde el flujo caótico del material de partida sobre el sustrato se crea mediante al menos uno de:

i) dejar caer el material de partida a una distancia sobre el sustrato;

ii) pasar el material de partida sobre el sustrato desde una pluralidad de puntos de salida;

iii) suministrar el material de partida al sustrato a una presión.

5. Un método de acuerdo a la reivindicación 3, opción i), o iii), o una cualquiera de las reivindicaciones dependientes de esta, en donde la aplicación de la fuerza de vacío a las fibras sobre el sustrato comprende suministrar múltiples puntos de arrastre de vacío corriente abajo del sustrato.

6. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde la fibra no está encolada.

7. Un método de acuerdo a cualquier reivindicación precedente en donde (i) las fibras comprenden fibras de carbono y una o más fibras de metal, fibras de vidrio, fibras PPS, fibras PEEK, fibras de aramida o (ii) las fibras consisten esencialmente de fibras de carbono.

8. Un método de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en donde el método comprende además la etapa de:

(a) llevar a cabo un proceso CVD o CVI sobre la matriz de fibra obtenida; y/o

(b) utilizar la matriz de fibra obtenida en la elaboración de un artículo para uso en aplicaciones a alta temperatura.

9. Una preforma de fibra estocástica que es una matriz de fibra obtenible mediante el método de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, la preforma comprende un sustrato no tejido de fibras que tiene una matriz tridimensional estocástica, en donde la preforma tiene fibras dispuestas en las direcciones x, y y z, y estas fibras están orientadas aleatoriamente, y en donde las fibras se mantienen juntas en la formación de la matriz por un ligador de curado, y en donde las fibras comprenden fibras de carbono.

1. Una preforma de fibra de acuerdo a la reivindicación 9 en la cual del 5 al 3% del peso de las fibras se disponen sustancialmente de la dirección z.

11. Una preforma de fibra de acuerdo a cualquiera de las reivindicaciones 9 o 1 en la cual la preforma contiene:

(a) 2% o más de vacíos en volumen, o

(b) de 2% a 7% de vacíos en volumen, o

(c) de 3% a 7% de vacíos en volumen.

12. Una preforma de fibra de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 11 en donde la preforma tiene una fracción de volumen de fibra de:

(a) 2% o más, o

(b) del 2 al 4%

13. Una preforma de fibra de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 12 en donde el porcentaje de ligado en el producto es:

(a) del 5% a 6% del peso de la matriz fibrosa seca; o

(b) del 5% al 3% del peso de la matriz fibrosa seca; o

(c) del 5% al 2% del peso de la matriz fibrosa seca.

14. Una preforma de fibra laminada que comprende al menos una capa de preforma de fibra tal como se definió en una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 y una o más capas de fibras de aramida.

15. Un artículo para uso en aplicaciones de alta temperatura que comprende una preforma tal como se definió en una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 14.

16. El artículo de la reivindicación 15, en donde el artículo es:

(a) para uso en frenos o carcasas de motor de cohete, o

(b) un recubrimiento de zapato de freno, o

(c) para uso en recubrimientos de horno.

17. Uso de una preforma de acuerdo a una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13 en la elaboración de un artículo 25 para uso en aplicaciones a alta temperatura.

18. Un método para producir un artículo para uso en aplicaciones a alta temperatura, el método comprende las etapas de:

(i) suministrar una preforma tal como se definió en una cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13; y

(ii) llevar a cabo un proceso CVD o CVI en la preforma.