專利名稱：形成帶有預定z-纖維分布之纖維結構的方法
技術領域：
本發(fā)明的涉及用纖維材料形成纖維結構的領域，更具體一些講，本發(fā)明涉及一種用于連接多個纖維層的工藝方法，該多個纖維層具有在相鄰纖維層之間穿過的Z-纖維束預定分布。
用于形成纖維預成形結構而作為在復合結構中使用的針刺工藝是眾所周知的技術，已經(jīng)有許多年了。由Carlson等人申請的US3,772,115號專利介紹了一種工藝，可以同時或者用多個針刺步驟將好幾個纖維層針刺在一起，該針刺工藝包括將許多根鉤針重復地扎進纖維層內，鉤針在纖維層內使纖維產(chǎn)生移位，從而引起纖維層連接成連接在一起的結構，如果最終結構太厚而無法使鉤針全部穿透，則可以采用添加纖維層并用一系列針刺步驟的辦法，而逐漸增加地形成這種結構，纖維層含有碳或者石墨織物或者其前體，可以將根據(jù)該工藝形成的纖維預成形結構進一步加工成一種碳/碳復合結構，方法是在纖維預成形結構內沉積碳基質，將纖維連接在一起。該工藝可以用于形成多種復合結構，包括碳/碳制動盤。
1979年8月1日公開的英國專利說明書介紹了一種類似工藝，該工藝也介紹了用于形成一種碳/碳復合材料的方法，纖維層可以含有氧化丙烯腈織物，它是用一系列針刺步驟被針刺在一起的，在一個實施例中，用該工藝形成了一種碳制動盤。
由Pierre Olry申請US4,790,052號專利披露了一種較新的工藝，目的是生產(chǎn)一種具有高均勻度的纖維預成形結構，這主要是通過針刺疊加纖維層在一起而實現(xiàn)的，在制品整個厚度上具有針刺的“均勻密度”，穿過的初始深度根據(jù)由刺針橫向往復穿過的層數(shù)(例如大約20層)而定，該工藝要求在整個纖維預成形結構形成過程中保持該深度不變，具體方法是降低纖維結構，使其離開刺針距離等于每次加入新纖維層的針刺層厚度。
同為Lawton等人申請的于1990年9月11日授權的US4,955,123號專利以及于1992年3月19日公開的PCT公開申請WO92/04492介紹了一種通過將環(huán)形面針刺在一起而形成制動盤的工藝，每次加入新纖維層時，就使纖維層結構降低一針刺層的厚度。由Smith等人申請的于1995年2月14日授權的US5,338,320號專利(作為US4,955,123號專利部分內容的后續(xù)申請)介紹了在針刺過程中在預成形結構的外層“富含”短纖維的一種工藝，在該工藝中，富含短纖維的外層明顯增加了外纖維層中的機械強度，并且，提高了所形成片狀制動面的耐磨損性能。
在纖維預成形技術中，由于用針刺法產(chǎn)生的移位纖維通常與具有纖維預成形結構的纖維層垂直，所以將該移位纖維稱為“Z-纖維”。在使飛機降速以及止動過程中，在整個制動盤內的Z-纖維分布對于提高制動盤耐用壽命以及制動盤在對一飛行物的減速或制動性能都具有極大的影響，因此一般都希望得到一種具有改善耐磨性的同時又維持其強度和制動性能的制動盤。所以，很需要一種具有預定Z-纖維分布的纖維結構以及一種用于形成帶有預定Z-纖維分布之纖維結構的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第一個方面，提供一種用于形成纖維結構的方法，包括以下步驟將一纖維層集疊置在一起并用多次針刺將纖維層集針刺在一起，該纖維層集內產(chǎn)生一Z-纖維束集，每次針刺都產(chǎn)生一部分穿過相鄰纖維層的Z-纖維束集，每部分Z-纖維束只穿過那些需要更多Z-纖維束的相鄰纖維層，以便在纖維層集中的每個纖維層內獲得預定數(shù)量的z-纖維束。
根據(jù)本發(fā)明的第二個方面，提供一種用于形成纖維結構的工藝方法，包括以下步驟用一系列針刺將纖維層集連接在一起，每次針刺包括將至少一層纖維層疊加到由前次針刺而先行連接在一起的纖維層之上，而且產(chǎn)生出從至少一個纖維層伸進先前連接在一起的纖維層內的Z-纖維束，在后續(xù)針刺期間，每個先前連接的纖維層都接受到Z-纖維束，直到在那個纖維層內Z-纖維束的數(shù)量達到其要求達到的z-纖維束的預定數(shù)量為止，從而在纖維層集中的每一個纖維層都具有該纖維層所要求的Z-纖維束的預定數(shù)量。
根據(jù)本發(fā)明的第三個方面，提供一種用于形成纖維結構的工藝方法，包括以下步驟確定 每次針刺時，由Z-纖維束穿過的相鄰纖維層的理想數(shù)量，這樣，在每一層中，由每一次針刺在每一層中產(chǎn)生的Z-纖維束總數(shù)等于對該纖維層所要求的Z-纖維束的預定數(shù)量；以及將纖維層集疊置并用一系列針刺將其針刺在一起并在纖維層集內產(chǎn)生Z-纖維束集，由每次針刺的Z-纖維束穿過所需數(shù)量的相鄰的纖維層，從而在纖維層集中的每一纖維層都獲得理想數(shù)量的Z-纖維束。
根據(jù)本發(fā)明的第四個方面，提供一種用于形成纖維結構的工藝方法，包括以下步驟在一疊置的纖維層集內形成在纖維層之間穿過的Z-纖維束集，所說的疊置的纖維層集包括具有一個下纖維層和一個上纖維層的第一組纖維層，在該第一組纖維層內的每一纖維層都具有一定數(shù)量的Z-纖維束產(chǎn)生于該纖維層內，并且穿過位于該纖維層之下的數(shù)個纖維層，而不穿過位于該纖維層之下的所有纖維層，所述纖維層的數(shù)量由下纖維層向上是增加的。
根據(jù)本發(fā)明的第五個方面，提供一種纖維結構，它包括包括具有下纖維層與上纖維層之第一組纖維層的一疊置纖維層集；以及在位于纖維層集內的纖維層之間穿過的Z-纖維束集，在第一組纖維層內的每一纖維層都有一部分Z一纖維束產(chǎn)生于該纖維層內，并且刺進其下面的纖維層，而不穿過所有在其下面的部分纖維層，Z-纖維束部分穿過一其纖維層的數(shù)目從下纖維層向是纖維在增加的纖維層。
所以，本發(fā)明提供一種用于在纖維結構中控制Z-纖維分布的方法，本發(fā)明也包括具有所要求的Z-纖維分布的一種纖維結構，本發(fā)明尤其適宜于生產(chǎn)用于碳/碳飛機制動盤的纖維預成形結構。


圖1表示適用于本發(fā)明的一臺針刺設備的總示意布置圖。
圖2表示一種用圖1設備的針刺過程的詳圖。
圖3表示一種在圖2針刺過程中產(chǎn)生的Z-纖維束的詳圖。
圖4A表示用于確定最小纖維轉移距離之方法的第一部分。
圖4B表示用于確定最小纖維轉移距離之方法的第二部分。
圖5A表示根據(jù)本發(fā)明一個方面多次針刺中的第一次針刺。
圖5B表示根據(jù)本發(fā)明一個方面多次針刺的第二次針刺。
圖5C表示根據(jù)本發(fā)明一個方面多次針刺的第三次針刺。
圖5D表示根據(jù)本發(fā)明一個方面多次針刺的第四次針刺。
圖6表示圖5A-5D針刺的估算表面位置與針刺次數(shù)的曲線圖。
圖7A表示根據(jù)本發(fā)明另一個方面多次針刺的第一次針刺。
圖7B表示根據(jù)本發(fā)明另一個方面多次針刺的第二次針刺。
圖7C表示根據(jù)本發(fā)明另一個方面多次針刺的第三次針刺。
圖7D表示根據(jù)本發(fā)明另一個方面多次針刺的第四次針刺。
圖8表示圖7A-7B針刺時的估算表面位置與針刺次數(shù)的曲線圖。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面說明含有纖維預成形結構纖維層的針刺后的平均層厚度與纖維層數(shù)量的關系的壓實曲線圖。
圖10表示根據(jù)本發(fā)明另一個方面說明氣流法纖維氈層厚度與針刺次數(shù)的關系的壓實曲線圖。
圖11表示根據(jù)本發(fā)明另一個方面，示出用于對每一纖維層定量永久性纖維轉移以及確定每一纖維層永久性纖維轉移的累積量的斜的行列式，以及單位面積上Z-纖維束的數(shù)量。
圖12表示某些變量與針刺過程的幾何結構之間的關系。
圖13表示根據(jù)本發(fā)明另一個方面，示出用于定量每一纖維層永久性纖維轉移和用于控制每一纖維層永久性纖維轉移的之累積量的斜的行列式，以及單位面積上Z-纖維束的數(shù)量。
圖14A表示用于確定圖13針刺2所要求的纖維轉移深度的一個數(shù)表。
圖14B表示用于確定圖13針刺3所要求的纖維轉移深度的另一個數(shù)表。
圖14C表示用于確定圖13針刺2所要求的纖維轉移深度的第三個數(shù)表。
圖15表示根據(jù)本發(fā)明另一個方面具有預定Z-纖維分布的一種纖維結構的截面圖。
圖16表示用針刺法產(chǎn)生的一種典型的Z-纖維束。
圖17表示根據(jù)本發(fā)明的一個方面用與圖15相類似的纖維結構所形成的一種環(huán)狀制動盤的截面圖。
圖18表示根據(jù)本發(fā)明另一個方面具有預定Z-纖維分布的一種纖維結構的截面圖。
圖19表示根據(jù)本發(fā)明又一個方面具有預定Z-纖維分布的另一種纖維結構的截面圖。
本發(fā)明涉及一種用于形成纖維預成形結構的工藝，根據(jù)本發(fā)明的纖維預成形結構適用于后續(xù)加工，在該后續(xù)加工過程中，連接基質沉積在預成形結構中，從而形成一種復合結構。本發(fā)明尤其適用于形成纖維預成形結構，該結構便于后續(xù)加工而成為碳/碳結構，例如飛機制動盤。后續(xù)加工通常包括熱解預成形結構(當其由前體材料形成時)，以及沉積一種連接碳基質。將碳基質沉積在預成形結構中可以根據(jù)已知的方法進行，例如用碳蒸氣滲入法以及用碳蒸汽沉積法(CVI/CVD)，或者用一種在隨后進行焦化的碳支撐瀝青或樹脂進行重復浸漬的方法，或者采用任何一種相當?shù)姆椒ā１景l(fā)明不對形成連接基質或壓實纖維預在形結構進行描述，因為這些方法都是眾所周知的技術。盡管所描述的只涉及碳/碳復合物，但是，應該明確地理解，本發(fā)明同樣可以用于形成多種適用于經(jīng)后續(xù)加工而成為陶瓷結構以及碳/陶瓷復合結構的纖維預成形結構。
以下根據(jù)附圖1-13說明本發(fā)明的各個方面，其中相同編號表示同一個部件。特別參見圖1，示意性地表示了一臺針刺設備8，針刺設備8適用于形成一種纖維預成形結構，方法是將好幾個纖維層連接在一起，開始用至少兩個纖維層，用多次針刺法向該兩個纖維層上添加多個輔助纖維層，圖1所示只是一般性布置，因為這類裝置是眾所周知的。適用于本發(fā)明這類設備的具體實例在以下幾項專利中都有披露，由Olry申請的US4,790,052號專利(以下稱為′052號專利)，由Lawton等人申請的US4,955,123號專利(以下稱為′123號專利)，以及由Morris，Jr.等人申請的US5,217,770號專利(以下稱為′770號專利)。圖1所要表示的僅為任何一種這類設備的針刺區(qū)段，所以，本發(fā)明可適于采用根據(jù)第′052號專利所述設備形成一種片或“板”，或者根據(jù)第′123號以及′770號專利所述形成一種環(huán)形制品。所產(chǎn)生的纖維預成形結構在形狀上的任何變化都被認為屬于本發(fā)明的范圍之內。
還是參見圖1，纖維預成形結構20被表示在用設備8形成的工藝中，該纖維預成形結構20被沉積在位于許多刺針14之下的支架即基板12上，刺針14固定于針板16內，用刺針14可以穿入基板12，而且基板是用一種可穿透材料如泡沫塑料或刷毛制成，或者用一種帶有與刺針14一致的11孔以便于刺針穿入的非穿透材料如金屬或塑料制成。纖維結構20由帶有形成外露表面44的一個頂層的纖維層組成，然后，使纖維結構經(jīng)過一次針刺，在此過程中，當纖維結構20沿著箭頭34的方向在刺針下面經(jīng)過時，多根刺針14重復地刺入纖維結構20中，在此所用的術語“纖維結構”是指在產(chǎn)生的針刺期間放置位于刺針14下面的基板12上的所有纖維層。每一次或若干次針刺后就向纖維結構上加入纖維層，但是，沒有必要在每次針刺時都向纖維結構上加入纖維層。
可按照已知方法將刺針排成行，也可以將若干行刺針彼此平行排列，這樣，每次針刺，纖維結構20的整個寬度都會受到針刺，刺針14的排列限定了針刺區(qū)域32。
用驅動機構18驅動刺針14，驅動機構18驅動針板16，使其往復運動經(jīng)過一個固定的移動范圍，這樣，多根刺針使纖維結構20的纖維層中的纖維移位，產(chǎn)生在與內表面層基本垂直的纖維層之間穿過的“Z-纖維束”。將附加層放在原先的纖維層上，并經(jīng)過附加的針刺過程，這使附加層連接在原先的纖維層上，加入附加層，直到達到最終要求的厚度為此，然后，不要加入附加層，對纖維結構20進行進一步針刺。按照在前面已經(jīng)敘述過的已知方法，可以在后續(xù)的操作中對最終纖維預成形結構20進行加工。
按照現(xiàn)有技術中已知的方法，用基板調整機構22調整相對于多根刺針14的支撐位置，在此，基板調整機構包括起重螺桿24以及電機/齒輪箱26。必要時為了使基板12相對于多根刺針處于精確位置，控制器28通過控制線路30來控制基板調整機構22?；?2按照箭頭34的方向驅動，這樣，多根刺針就可以沿著纖維結構20的長度重復地刺進外露表面44，也可接著使支撐沿著箭頭36的方向驅動，這樣，就按照相反的方向針刺纖維預成形結構，如第′052號專利所述。如果按照第′123號或者第′770號專利所述要形成環(huán)形結構，則基板通常只能按一個方向驅動，還有，當刺針刺進纖維結構20時，基板12可以連續(xù)地驅動，或者，基板可以與驅動機構18同步驅動，這樣，當刺針14刺進纖維結構20時，基板12就會暫時停止。任何一種這類的變化都屬于本發(fā)明的內容，還有，在不違背本發(fā)明的情況下，設備8的各種部件可以按照不同方式進行排列定位，例如，可以將設備8轉動到側面，甚至當有特殊應用需要這種安置時，可以將其反向安置。
一種根據(jù)本發(fā)明一個方面的工藝如圖2所示，其中含有至少兩個纖維層40a-40i的纖維結構20位于裝在基板12上的多根刺針14的下面，如圖所示，纖維結構20可以含有許多疊加的纖維層，這樣一疊纖維層可以變成很厚，這樣，刺針14根本無法刺穿所有的纖維結構，將頂層纖維層40a放置在下面相鄰纖維層40b、40c、40d、40e、40f、40g、40h、以及40i上，頂層40a形成外露表面44，在該實施例中，直到頂層纖維層40a經(jīng)過針刺以后才與纖維層40b連接，在此過程中，纖維層40a-40i在多根刺針14下經(jīng)過，同時，多根刺針14重復地刺穿外露表面44，如圖中虛線所示，刺進纖維結構內足夠的深度，以便使纖維層40a中的纖維永久性地轉移進入下面相鄰的纖維層40b內。由于頂層纖維層40a中的纖維永久性地轉移進入纖維層40b以及其它在下的相鄰纖維層內，針刺使頂層纖維層40a連接在纖維層40b上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，對于每次針刺，都有纖維從纖維層的選定組46中被永久性地轉移。從一次針刺到下一次針刺，選定組纖維層可以發(fā)生變化，選擇選定組纖維層是與根據(jù)所要求最終預成形特性進行預成形設計相關的事，不屬于本發(fā)明的內容。在實施本發(fā)明時，選定組纖維層至少包括頂層纖維層40a，最好包括頂層纖維層40a以及至少一個相鄰的纖維層40b，在圖2所示的實施例中，選定組46包括纖維層40a、40b以及40c，在許多實際應用中選定組纖維層可以包括三層以上的纖維層。
現(xiàn)在參見圖3，示出了由一根刺針14所產(chǎn)生的Z-纖維束66從頂層纖維層40a穿過，并向下經(jīng)過纖維結構而進入纖維層40b-40g內，為了清楚起見，只顯示出了刺針14相對纖維結構的一個側面，在此，刺針14有一個頂尖74，最靠近該頂尖74含有第一個針鉤68，第二個針鉤70與第一個針鉤68有一間隔，離開頂尖74則更遠，而第三個針鉤72與第二個針鉤有一間隔，與頂尖74相距就更加遠了。如圖所示，其它組針鉤沿著刺針14相互間隔分布，在所示的實施例中，當刺針14刺進纖維層40a-40f時，針鉤68、70以及72就與這些纖維層接觸，并且將這些纖維層中的纖維轉移。
通常作為碳前體材料使用的纖維如聚丙烯腈纖維(PAN)及氧化聚丙烯腈纖維(OPF)具有彈性，這種彈性使纖維拉回至其原纖維層上，除非這些纖維已經(jīng)轉移了至少最小一段距離。當纖維層是用長絲或連續(xù)長絲制成時，無法獲得永久性纖維轉移，除非，纖維被轉移太遠而引起纖維斷裂。溫度與濕度也有影響，在此所用的術語“永久性纖維轉移”指的是在針刺期間刺針14將纖維從一層轉移到至少相鄰一層內，在刺針14從纖維結構中退出后，已被轉移的上述纖維仍然保持被轉移狀態(tài)。增加纖維轉移深度僅0.5mm就能導致由非永久性纖維轉移變成永久性纖維轉移，這是一種出人意料的發(fā)現(xiàn)，所以，在針刺過程中，多根刺針14一起接觸及轉移選定組纖維層中的聚集纖維，若組成纖維層的纖維有拉回至其所述的原纖維層的趨向時，就不是100％的聚集纖維都被永久性地轉移了。
纖維長度、纖維卷曲度以及纖維表面處理也會對永久性轉移產(chǎn)生影響，短纖維、或者有卷曲的纖維、或者有粗表面或鱗片狀(類似木頭)纖維就較少有拉回到其原纖維層的趨向。由帶有一種或幾種這類特性的纖維組成的纖維層的最小距離可以大大小于有相同組成的光滑的、非卷曲的、連續(xù)纖維組成的纖維層的最小距離，在這種情況下，由于纖維必須被轉移至少一定距離以便于附接到(另外的)纖維層，所以最小距離可以具有至少很小的臨界值。用帶有這些特性的纖維，基本上可以使100％的由多根刺針14接觸到的聚集纖維被永久性地轉移，因為組成纖維層的纖維具有極小拉回到其原纖維層的趨向。
所以，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，相對于頂層纖維層40a確定所要求的纖維轉移深度48，從而足以從選定組的纖維層46中獲得永久性纖維轉移，而不是從選定組纖維層46以外的纖維層中永久性地轉移大量的纖維。如果纖維層具有彈性，只有當轉移深度超過最小距離50時，才能獲得永久性纖維轉移。
例如，將纖維從纖維層40a中轉移至深度52，大于最小距離50，這就意味著由纖維層40a中轉移的纖維得到了永久性轉移。同樣，將纖維從纖維層40b及40c中分別轉移至深度54及56，大于最小距離，這就是說，從纖維層40b及40c中轉移的纖維得到了永久性轉移。將纖維層40d、40e、40f、及40g中的纖維分別轉移至深度58、60、62及64，小于最小距離50，即是指纖維層40d至40g中轉移的纖維沒有獲得永久性轉移，從這些纖維層中轉移的纖維拉回至這些纖維層中，這樣，選定組纖維層46中的纖維得到永久性轉移，而選定組纖維層46以外的纖維層中沒有永久性地轉移大量纖維。
確定最小距離50的一種優(yōu)選方法如圖4A和4B所示。參見圖4A，將第一纖維層76放置在第二纖維層78上面，在第一纖維層76上形成外露表面80，第二纖維層78放置在基板12上，第一纖維層76基本上與圖3的上層40a相類似，而第2纖維層76基本上與圖3中的纖維層40b相類似。還是參見圖4A，用與用來形成如圖1-3所示的纖維預成形結構的針刺過程基本相同的方法，所用的刺針14基本上也與上述針刺過程所用的相似，通過重復將多根刺針刺進露出表面80，經(jīng)過第一纖維層76又刺進第二纖維層78中，這樣將纖維從第一纖維層76中轉移進入第二纖維層中。為清楚起見，只示出一根刺針且只示出一個針鉤，基板12上沖鉆有與刺針14對齊的孔15，如圖所示，該孔15使得刺針14刺進基板12內，當刺針14刺進纖維層中時，纖維層76及78在箭頭90方向在該刺針14下面經(jīng)過，開始形成纖維轉移深度82，如圖所示，產(chǎn)生Z-纖維束84，但是由于纖維沒有被轉移距上層76足夠遠的距離，所以Z-纖維束84又拉回到上層，被拉回的Z-纖維束部分用虛線所示?，F(xiàn)在參見圖4B，纖維轉移深度得到增加(通過使基板12朝著多根刺針14方向移動)直到第一纖維層剛剛開始連接到第二纖維層78上，此時，纖維轉移深度86等于最小距離50。由于轉移深度86很深，足以使上層76中的纖維永久性地轉移，從而產(chǎn)生使兩個纖維層連接在一起的永久性纖維束88，這樣，第一纖維層76開始連接到第二纖維層78上。
也可以用以下辦法確定最小距離50，將纖維層76放置在多個先行針刺過的纖維層(纖維結構或“板”)上，接著進行增加針刺穿入深度的操作，直到完成達到纖維層76的連接為止。該方法可以更準確地定量最小距離50，因為在形成纖維預成形結構的過程剛開始時，纖維結構含有兩層(如圖4所示)，由于只有兩層，Z-纖維束伸過底層而進入基板內，在大多數(shù)加工過程中，頂層纖維層被放置在先前已連接過的纖維結構上，并對其進行針刺(如圖2所示)，且Z-纖維束完全被包在纖維結構之內(如圖3所示)。不過，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)圖4的方法定量最小距離非常適合于實施本發(fā)明。
根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，每個纖維層40都含有三個單向的OPF纖維分層，它們被輕輕針刺在一起成為一個連接在一起的纖維層，每個分層的纖維方向相對于相鄰的分層轉動60°，如第’052號專利的實施例1所示。在針刺操作開始之前，通過將第一單向網(wǎng)交叉折疊到第二縱向網(wǎng)上，從而形成每一纖維層的方向取向，所說的網(wǎng)較好的是用OPF纖維絲束形成，每絲束由320,000根長絲組成。適用于實施本發(fā)明的OPF絲束由以下公司提供，它們是RK Carbon Fibres Limited of Muir of Ord，Scotland；和ZoltekCorporation of St.Louis，Missouri，U.S.A。非氧化PAN纖維(“生絲束”)可由Courtaulds Advanced Materials of Great Coats Crimsby，SouthHumberside，England提供。根據(jù)圖4方法用兩個OPF交叉折疊層形成的最小距離約為6.5-7.0毫米，所用的刺針是編號15×18×36×3.5C333G1002，由德國的Groz-Beckert公司提供。其刺入深度為大約6.5mm時纖維層剛開始連接在一起，而在大約7.0mm深度時則完全連接在一起。該實施例的OPF纖維幾乎沒有彎曲且具有很光滑的表面。最小距離取決于纖維層的特性以及在形成纖維預成形結構中所用的針刺工藝，且根據(jù)經(jīng)驗確定。
轉移深度必須具有一定的可靠性，以便定量永久性纖維轉移，如圖3所示，相對于上層40a測定纖維轉移深度，再參見圖2，在針刺加工期間，最好相對于處于刺針14下面的外露表面44的估算表面位置92測定纖維轉移深度。在針刺期間，外露表面44離開刺針，這是由于當纖維結構經(jīng)過針刺區(qū)32時至少部分壓實上層40a。根據(jù)優(yōu)選的實施例，每次針刺的估算的表面位置這樣來確定，即通過測定外露表面44的預針刺的表面位置94、外露表面44的針刺后的表面位置96然后按比例平均預針刺的表面位置94及針刺后的表面位置96來確定針刺過程中的估算表面位置92。
如圖1所示，在纖維預成形結構于刺針14下經(jīng)過針刺之前，用具有表面隨動裝置100的第一轉換器98可以有效地測定預針刺的表面位置94，表面隨動裝置100跟蹤外露表面44的位置。當纖維預成形結構在刺針14下經(jīng)過針刺處理以后，用具有表面隨動裝置104的第二轉換器102可以有效地測定針刺后的表面位置，表面隨動裝置104跟蹤外露表面44的位置，來自第一轉換器98和第二轉換器102的表面位置信息通過轉換器線路106及108被送到控制器28中，然后，控制器28處理該信號并測定在針刺過程中每一點的估算的表面位置。
用基本相似的方法通過預先形成基本相同的纖維預成形結構、以及在形成基本相同的纖維預成形結構期間通過測定預針刺的表面位置94及針刺后的表面位置96，也可以測定預針刺的表面位置94、針刺后的表面位置96以及此后估算的表面位置92。圖6和8，將會對這方面作更詳細的說明。
現(xiàn)在參見圖5A-5D，說明根據(jù)本發(fā)明一個方面的工藝，該工藝用于形成一種纖維預成形結構，具體步驟是開始將兩個纖維層108及110連接在一起，再向上面加入附加的纖維層112、114、及116，將這幾個纖維層連接在一起。如圖5A所示，首先，對放置在位于多根刺針14下面之基板12上的兩個纖維層108及110進行針刺，如前面所述，纖維層108、112、114、及116中的每一層都含有被輕輕針刺在一起而成為一個連接在一起的纖維層的三個單向的OPF纖維分層?；?2用金屬制成，最好開有使刺針14可以穿刺進去的孔。在圖5A-5D中示出刺針14都處于其最靠下的移動位置。在圖5A中，當基板12按箭頭118方向驅動時，在第一針刺的過程中，纖維由纖維層110中被永久性地轉移，經(jīng)過纖維層108而進入基板12中。帶孔的基板如基板12根本不會夾持被轉移的纖維，由此該針刺過程不會使纖維層108及110產(chǎn)生充分的壓實，所以，預針刺的表面位置94與針刺后的表面位置96基本相同，這是一種驚奇的發(fā)現(xiàn)。
在圖5B中，當基板沿著箭頭120的方向驅動時，在第二針刺的過程中，加入附加纖維層112，并將其針刺到纖維層108及110上。此時，纖維層108及110開始壓實，預針刺的表面位置94位于針刺后的表面位置96之上，產(chǎn)生估算表面位置92。在圖5C中當基板沿著箭頭122的方向驅動時，在第三次針刺的過程中，加入另一個纖維層114，并將其針刺到纖維層108、110及112上。纖維層114被壓實，而纖維層108、110及112被更進一步壓實。在圖5D中基板沿著箭頭124的方向驅動，在第四次針刺過程中，加入又一個纖維層116，并將其針刺到纖維層108、110、112及114上。頂層纖維層116被壓實，而纖維層108、110、112及114則經(jīng)過更進一步的壓實。這樣，至少由于在頂層中的壓實和頂層纖維之下一組纖維層內的壓實，被刺針刺進的外露表面在針刺期間會離開刺針。在有些針刺過程中，前后兩次針刺時基板驅動的方向可以不同，任何一種這樣的改變都屬于本發(fā)明的內容。
代表圖5A-5D針刺過程中表面位置與針刺次數(shù)之間關系的實施例如圖6所示。第一次針刺表示圖5A，此時，將兩個纖維層放置在刺針下面，預針刺的表面位置幾乎與針刺后的表面位置相同，從第二次針刺開始，在每次針刺之前加入另外一個纖維層，第二次針刺代表圖5B，在刺針下面放有三個纖維層，如圖6所示，這三個纖維層開始壓實。在與圖5C及5D相對應的第三及第四次針刺過程中，加入附加纖維層，而且還圖示出了在第五及第六次針刺過程中加入另外兩個纖維層的數(shù)據(jù)。圖中表示了每次針刺步驟的估算表面位置，基本上是每次針刺的預針刺的表面位置與針刺后的表面位置之間的平均位置。還示出了每次針刺的壓實因子F，該壓實因子表示任何一次針刺后的厚度的修正，而且用于確定相對于針刺后的表面位置的估算表面位置。這樣，在頂層纖維層及下面幾個纖維層中作為壓實的補償就用壓實因子表示。根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，用纖維結構的預針刺的厚度與纖維結構的針刺后的厚度之差值除以2，就可以計算出某次針刺的壓實因子。在控制或表示整個纖維預成形結構厚度上Z-纖維分布特性的加工過程中，可以使用壓實因子。以下根據(jù)圖11和公式7及8將會對本發(fā)明的這一方面內容作更詳細的說明。
圖7A-7D示出了表示本發(fā)明另一個方面內容的又一個方法，在圖7A-7D中示出了多根刺針14靠在其最下的移動位置，在圖7A中，將纖維層128放在位于多根刺針14之下的基板12上，基板12用金屬制成，并且沖有可以使刺針14刺進的孔。將另一纖維層130放在纖維層128上，如前所述纖維層130含有被針刺在一起而成為一個連接在一起的纖維層的三個單向OPF纖維分層。纖維層128是由Morris等人申請的EP0530741A1號申請所介紹的一種800g/m2的預針刺的沖孔空氣法纖維網(wǎng)，在圖7A的第一針刺之前，纖維層128約為8-13毫米厚，纖維層130約為3毫米厚，這樣，纖維層128的預針刺的厚度比纖維層130的預針刺的厚度大很多，當基板12沿著箭頭138的方向驅動時，在第一針刺過程中，將纖維層130針刺到纖維層128上。
還是參見圖7A，在第一針刺期間，纖維層128及130被壓實了很大的量(這與圖5A的纖維層108及110不同)，從預針刺的表面位置94到針刺后的表面位置96發(fā)生了很大變化，在第一針刺期間，纖維層128中的壓實是由于幾個因素引起的，纖維層128由短纖維組成，當用美國材料實驗標準(ASTM)D1440時，短纖維平均長度為25毫米或更短，當對該纖維層進行針刺時，該纖維層不具有太多的彈性特性。換言之，由刺針14從纖維層128中轉移出去的或轉移到該纖維層內的纖維被永久性地轉移，因為該纖維是短纖維，而且?guī)缀醪豢赡芾氐狡淦鹗嘉恢蒙?，纖維層128也很厚，足以使永久性纖維轉移完在該纖維層內起始和終止，還有，纖維層128很厚，足以夾持從纖維層130中轉移的纖維，最后一點，由于纖維層128厚，而且具有較少的纖維容量(單位體積的纖維量)，所以更易于壓實，另外它沒有事先經(jīng)過大量針刺。
在圖7B中，加入附加纖維層132，當基板12按箭頭140的方向驅動時，在第二針刺期間將附加纖維層132壓實，而纖維層128及130被進一步壓實，這樣，這幾個纖維層的混合壓實導致由以預針刺的表面位置94向針刺后的表面位置96以及估算表面位置92改變。如圖7C和7D所示，當基板12分別沿著箭頭142及144的方向驅動時，在第三及第四次針刺中加入并針刺附加纖維層134及136，這些針刺過程使原先針刺過的纖維層進一步壓實。在針刺期間，由于至少在頂層纖維層中的壓實，和由于至少在位于頂層纖維層下面的一組纖維層內的壓實，所以，有刺針刺進的外露表面再次離開刺針。
代表圖7A-7D針刺過程中表面位置與針刺次數(shù)的實施例如圖8所示。第一次針刺表示圖7A，此時，將兩個纖維層放置在刺針下面，如圖8所示，第一針刺產(chǎn)生由預針刺的表面位置到針刺后的表面位置的相對大的變化。從第二次針刺開始，在每次針刺之前，加入另一纖維層，第二次針刺代表圖7B，此時將三個纖維層放在刺針下面，如圖8所示，由預針刺的表面位置到針刺后的表面位置的變化比前面的針刺步驟的小。在與圖7C和7D相對應的第三、四次針刺中加入附加纖維層，在第五到十次針刺過程中加入6個纖維層的數(shù)據(jù)也在圖8中示出了。每次針刺步驟的估算表面位置如圖所示，它基本是每次針刺的預針刺的表面位置與針刺后的表面位置之間的平均位置，圖中也示出了壓實因子，需要注意的是，圖8中壓實因子與圖6中壓實因子具有相當不同的趨向。
實驗表明，只要纖維結構基本相似，而且采用基本相類似的方法制成，如圖6及8所示，估算表面位置與針刺步驟和壓實因子從一個到下一個纖維預成形結構就不會變化很大，所以，可以從前面建立的關系得出估算表面位置和壓實因子，在這種情況下，通過用基本相似的方法先形成基本相似的纖維預成形結構以及確定在形成基本相似的纖維預成形結構過程中估算表面位置，可以確定該關系。圖6和8表示這種在先確定的關系，它完全可以用于制備其它基本類似的纖維預成形結構。
有多種原因可以導致壓實變化，圖5和6包括在第一針刺期間開頭兩個纖維層沒有產(chǎn)生很大壓實的情況在隨后的針刺期間這兩個纖維層出現(xiàn)壓實。圖7和8指的情形是，開始兩層中的一層纖維層比較厚并且在第一針刺期間就被壓實，而且在隨后的針刺期間又繼續(xù)壓實。本發(fā)明的針刺方法易于變通足可以兼顧這兩種情形，而且，本發(fā)明的應用不僅限于這些實施例?？梢愿鶕?jù)纖維層的特性以及特定的針刺工藝與機械設備采用不同方法產(chǎn)生壓實，而且要根據(jù)本說明書公開內容所提出的原則進行考慮。還有，圖5-8表示由用沖孔基板所形成的纖維預成形結構得出的結果，該沖孔基板不會夾持轉移的纖維，如前所述。用泡沫塑料或直立的刷毛制成的基板可以較有效地夾持轉移的纖維。但是，某些壓實作用仍會發(fā)生，而且可以根據(jù)由本說明書公開內容提出的原則進行壓實。任何一種這類變化都屬于本發(fā)明的內容。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，對每一組纖維層中每一纖維層的永久性纖維轉移可以進行定量。不過，在實施本發(fā)明的時候，不必對每一纖維層轉移的纖維進行確認精確數(shù)量。所謂“精確數(shù)量”是指對于每一纖維層而言，從該纖維層永久轉移之纖維的確定量，或者從該纖維層轉移之纖維的數(shù)量或者類似定量。根據(jù)本發(fā)明，提供一種方法用于對每一層的纖維或在針刺過程的每個階段產(chǎn)生一種轉移效率與生成Z-纖維進行比較，這是一個很大的優(yōu)點，因為，當針鉤穿刺纖維時，要跟蹤并確認在特定針鉤中載上或掉下的纖維就目前而言是極其困難的。例如，為了說明本發(fā)明，在此討論纖維層以及針刺過程，在刺針刺入外露表面后，某個刺針上的針鉤幾乎立即就完全載滿纖維。當針鉤進入下面幾個纖維層時，由于纖維斷裂，針鉤卸下一部分纖維，當纖維卸下時，針鉤從其所穿刺的纖維層中接觸到更多的纖維。所以，圖3的Z-纖維束66中的大部分纖維來自纖維層40a，而一小部分則來自纖維層40b和40c。確認Z-纖維束中來自某個纖維層的纖維的精確數(shù)量是需要的，但在實施本發(fā)明時只要能用一定方法定量由某個給定纖維層永久轉移的纖維，則沒有這個必要。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，按如下方法定量永久性纖維轉移。再參見圖3，當每一個針鉤穿刺某一給定纖維層時，它就參與這組纖維層中的給定纖維層的一定量纖維接觸。對于某一給定刺針上的每一個針鉤，該纖維量一般是不同的，每根刺針14接觸并轉移一組纖維層中某一給定纖維層上的一定量纖維，這是每一個經(jīng)過這一纖維層的針鉤接觸該纖維層上纖維的總量。例如，在一個確定的優(yōu)選實施例中，如前所述，每一次針刺中的頂層纖維層都含有被針刺在一起成為一個連接在一起的纖維層的三個交叉折疊單向OPF纖維分層，刺針為編號是15×18×36×3.5C333G1002刺針，由德國的Groz-Beckert公司提供。在該實施例中，在某一給定針刺期間，第一針鉤68掛住該纖維層轉移纖維量的70％，第二針鉤70掛住該纖維層轉移纖維量的25％，第三針鉤72只掛住該纖維層轉移纖維量的5％。按照目前的理解，由刺針加工廠進行的試驗結果表明，彼此間隔刺針距離更大的其他針鉤不會象本方法過程中那樣有效地掛住和轉移纖維。還有，由于在每根針鉤進入頂層纖維層時幾乎立刻就掛住纖維，所以在這一針刺過程中，被某一給定刺針轉移的大部分纖維來自頂層纖維層。如在前面關于圖3所述，當針鉤穿刺纖維結構時，會卸下部分纖維，并從其他纖維層上帶上新纖維。不過，對所有針刺過程或所有類型的纖維層，不都屬于這種情況。纖維轉移特性與纖維層、特定針刺方法以及機械設備的性能有關，對于每一體系都應根據(jù)經(jīng)驗確定。
從某一給定纖維層如頂層纖維層40a上永久性轉移之纖維的量用以下計算方法進行近似計算，它為每一針鉤掛住且經(jīng)過該纖維層至少最小距離的纖維總量。例如，針鉤68從頂層纖維層40a穿過轉移距離52，大于該纖維層的最小距離50。因此，由針鉤68從纖維層40a上轉移的任何纖維就成為永久性轉移纖維。針鉤70從頂層纖維層40a穿過的一定距離，由下列公式計算D12＝D11-d1公式(1)其中，D12是第二針鉤70穿過纖維層40a的距離，D11是第一針鉤68穿過頂層纖維層40a的距離(D11＝轉移深度52)，而d1是第一針鉤68與第二針鉤70之間的距離71。如圖3所示，D12也大于纖維層40a的最小距離50，這就是說，第二針鉤70從纖維層40a上轉移的所有纖維都成為永久性轉移。針鉤72穿過頂層纖維層40a的距離按以下公式進行計算D13＝D11-d1-d2公式(2)其中D13是第三針鉤72穿過纖維層40a的距離，D11是第一針鉤68穿過上纖維40a的距離(D11＝轉移深度52)，d1是第一針鉤與第二針鉤70之間的距離，d2是第二針鉤70與第三針鉤72之間的距離。D13大于纖維層40a的最小距離50，就是說，第三針鉤72從纖維層40a上轉移的所有纖維都成為永久性轉移。所以，由于D11、D12及D13都全部大于最小距離50，用刺針14從纖維層40a上掛住的以及轉移過的100％的纖維被永久性地轉移。該實施例就是根據(jù)前面所講的第一針鉤為70％、第二針鉤為25％以及第三針鉤為5％的部分纖維量估計而得出的。
類似的計算方法可用于纖維層40b，其中D21是轉移深度54，計算公式如下D22＝D21-d1公式(3)D23＝D21-d1-d2公式(4)
其中D21是針鉤68從纖維層40b中穿過的距離(D21＝轉移深度54)，D22是第二針鉤70從纖維層40b中穿過的距離，D23是第三針鉤72從纖維層40a中穿過的距離，d1是第一針鉤與第二針鉤70之間的距離71，而d2則是第二針鉤70與第三72針鉤之間的距離73。通過對該實施例進行的這些計算顯示，所有三個針鉤穿過的距離都大于纖維層40b的最小距離，即是說，由刺針從纖維層40b中掛住的以及轉移的100％纖維被永久性地轉移。用下列算式對公式1-4進行定義DNB=DN1-Σn=2Ndb-1;B≥2]]>公式(5)其中N表示由第一針鉤68穿刺過的給定纖維層(當為頂層纖維層40a時，N＝1；當為纖維層40b時，N＝2；當為纖維層40c時，N＝3，……)，B代表位于轉移纖維之刺針上的特定針鉤(當為刺針上第二針鉤時，B＝2；當為刺針上第三針鉤72時B＝3，以此類推……)，DNB是特定針鉤相對于纖維層N穿過的距離，db-1是沿刺針從一個針鉤(b-1)到下一個針鉤(b)的距離。這樣，用這些公式就可以對第一針鉤穿過多少纖維層進行計算，也可以對位于掛住并轉移纖維之刺針上的每一個針鉤進行計算。不過，沒有必要對其它組纖維層進行計算，因為，纖維不會從其他組纖維層中被永久性轉移。公式5只適用于B≥2的情形，因為當刺針上只有一個針鉤時，就沒有必要確定其它針鉤的轉移的深度。
對纖維層40c(n＝3)進行計算且轉移深度56為D31時，可發(fā)現(xiàn)D31和D32都大于最小距離50，但D33則小于該最小距離，所以，由第三針鉤72從纖維層40中掛住的纖維不會被永久性地轉移，而由第一針鉤68和第二針鉤70從纖維層40c中掛住的纖維就被永久性地轉移。用刺針從纖維層40c中掛住到的纖維只有95％被永久性地轉移(第一針鉤的70％+第二針鉤的25％)，由第三針鉤72從纖維層40c中掛住的纖維有5％且沒有被永久性地轉移。如上所述，對于永久性纖維轉移的這些估計取決于特定的刺針，纖維層性質以及針刺工藝。該實施例的方法使用了百分比70％，25％以用5％，而本發(fā)明不僅受限于這三個百分比含量。
重要的是應理解，這樣定量每個纖維層永久性纖維轉移，而不用明確每個纖維層中永久性纖維轉移的精確量。本說明書中永久性纖維轉移的量是指刺針從給定纖維層中在刺針行程底部而掛住的已經(jīng)變成永久性轉移的纖維百分比(或任何相同的數(shù)值如分數(shù))。很容易預見，用其它方法也可以使永久性纖維轉移的量變成可定量的。例如，如果用于對每個纖維層精確定量的有效方法是可行的，采用每層的精確數(shù)量就是理想的。
還是參見圖3，從相對于頂層纖維層40a的轉移深度52可以得出40a至40f每個纖維層的轉移深度54、56、58、60、62及64。根據(jù)一個優(yōu)選的實施例，如上所述，相對于頂層纖維層40a的估算表面位置可以確定轉移深度52，最好的辦法是估算表面位置為預針刺的表面位置與針刺后的表面位置的平均值。接著確定位于刺針下面每一個纖維層的針刺后的厚度。用轉移深度52減去放置在給定纖維層上面的每個纖維層的厚度從而由轉移深度52確定該給定纖維層的轉移深度，例如，從轉移深度52中減去纖維層40a的厚度，可以確定出纖維層40b的轉移深度54；從轉移深度52中減去纖維層40a及40b的針刺后的厚度，可以確定出相對于纖維層40c的轉移深度56。這樣，根據(jù)下列公式，用離開頂層纖維層40a的轉移深度52就可以計算出相對于任何給定纖維層的轉移深度DN1=D11-Σn=2Ntn-1;N≥2]]>公式(6)其中N表示位于頂層纖維層40a(N＝1)下面由第一針鉤68穿過的給定纖維層(N＝2，表示第二纖維層40b；N＝3，代表第三纖維層40c；N＝4，為第四纖維層40d…………)，DN1是纖維層N的轉移深度，D11是頂層纖維層40a的轉移深度(轉移深度52)，而tn-1是位于纖維層N上面每一纖維層的厚度。對于由第一針鉤68穿刺的許多層可以進行重復計算(圖3中示出7層)，不過沒有必須進行對該組纖維層(圖3中為纖維層40a-40c)以外的纖維層的計算，因為，纖維不會從該組纖維層以外的纖維層中被永久性地轉移，該公式是根據(jù)第一針鉤68相對于頂層纖維層40a轉移的距離計算的，附加針鉤相對于每個纖維層的移動距離可以根據(jù)公式1-5算出來。
另外，第一針鉤從每個纖維層中的轉移深度可以按下式進行計算DN1=D11-F-Σn=2Ntn-1;N≥2]]>公式(6a)其中變量與公式6中的相同，F(xiàn)是針刺的壓實因子，該公式計算分纖維層相對于纖維預形成結構外露表面之針刺后的位置的轉移深度。公式6提供轉移深度的可接受估計量，而公式6a則更精確，尤其是用于計算具有較大壓實因子的頂層纖維層。如前面所提到的，800g/m2空氣法纖維網(wǎng)是具有較大壓實因子之纖維層的一個例子。
如果纖維層基本相似，對于每次針刺后的厚度可以按照含有該針刺所在的纖維結構的一組纖維層的平均厚度進行計算。如圖5A-5D所示，當使纖維層經(jīng)過附加針刺以及當加入附加纖維層時，該組纖維層的厚度可以改變。纖維層的數(shù)目與平均纖維層厚度之間關系的示例如圖9所示(開始為兩層)。圖9是一條壓實曲線。在每次針刺之前，向纖維結構上加入一個纖維層，如圖所示，隨著纖維層數(shù)(及針刺數(shù))的增加，平均厚度下降，這種趨勢是由下列事實造成的由于幾次后續(xù)針刺，含有纖維結構的先被針刺的纖維層繼續(xù)壓實。當加入附加纖維層時，這些纖維層進一步壓實。
從一個如圖9所示的曲線，通過按照基本相似的方法形成一種基本類似的纖維結構，以及通過確定在形成基本相似的纖維結構期間的平均厚度，可以得出在針刺過程中每一點上含有纖維結構的平均厚度。然后，可以將該計算結果用于形成后續(xù)纖維結構，而不用實際地確定針刺過程中的平均纖維層厚度，這種方法大大地簡化了工藝，可以將如圖9所示的一條曲線編制程序，存入如圖1所示控制器28的控制器內。
在實施本發(fā)明的過程中，可以使用單個纖維層的厚度，而不是平均纖維層厚度。通過測量每次針刺后纖維結構的切下部分，可以確定多次針刺后(如圖7A-7D所示)的纖維層128的厚度，該厚度如圖10所示，曲線I開始為預針刺的厚度(在第一次針刺之前)。曲線II表示象纖維層128這樣的當其在針刺過程中處于較后位置上被針刺到一種基本上為一纖維結構上時的空氣法纖維網(wǎng)的厚度，要說明的一點是，空氣法纖維網(wǎng)壓實有大的不同，這取決于在針刺工藝中使用纖維層的位置。
如該圖10所示，象纖維層128這樣的厚層結構的壓實可以連續(xù)地經(jīng)由多次針刺。若不考慮這種用于壓實，就會在整個的纖維預成形結構上與理想的Z-纖維分布有明顯的不同。如果在該纖維結構中任意一層與其它層有明顯的區(qū)別，則需要對單個的纖維層進行表征。再者，在構成預先形成的纖維預成形結構期間可以確定圖10那樣的一條曲線，并且在隨后形成實際上類似的纖維預成形結構期間可以采用這條曲線。只要加工工藝基本上類似的話，在形成一個纖維預成形結構和形成另一個纖維預成形結構時，該曲線不應該作明顯的改動。
一次以上的針刺可以將纖維從一給定層永久地置入到一組纖維層中。因此，這樣一種技術是所希望的，即，可以確定從一給定層永久地轉移的纖維的累計量。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，在一給定的針刺期間，當每個針鉤穿過一層纖維的時候，每一針鉤會攜帶一定量的纖維從一給定的纖維層進入針鉤穿過的那層纖維所在的一組纖維層中。與如前面所述的那樣，在針刺期間，從一給定纖維層永久地轉移的纖維量，可以這樣估算，即，累計每一個針鉤從該層夾持纖維的數(shù)量，其中針鉤離其夾持纖維的那一層的行程應至少為所述的最小距離。從給定纖維層永久轉移的纖維的累計量是根據(jù)永久地從該層轉移纖維的針刺步驟的累計量來估算的。從給定纖維層永久轉移的纖維的累計量通常采用如圖11所示的圖表來估算的。
在圖11中，在表的左側，沿垂直軸記下針刺次的數(shù)。在表的頂端，沿水平軸記下具有纖維結構每一針刺的纖維層的數(shù)目。從第一次針刺的第1和第2層起，共計有32層被針刺在一起。層1和32為800g/m2的空氣法纖維網(wǎng)，而層2-31各具有3個OPF纖維的交叉重疊的單向的纖維分層，這些纖維層經(jīng)針刺在一起而形成一連接在一起的纖維層，如前面所述。從針刺2到31，在每一次針刺之前，加一層纖維層，接下來是3個退縮的針刺WO1，WO2和WO3(其中纖維結構被降低和進行不加纖維層的針刺)，在表的右面的第1欄中，第一次針刺時相對于初始基板位置的基板位置以“δ”來表示。在標有“δi-δi-1”的欄目中，示出了相對于先前的針刺過程每一次針刺后基板位置的變化。如圖2所示，許多刺針14在行程160的一固定范圍內被往復地驅動，而纖維結構被設置在基板12上并被按箭頭34的方向移動?；?2的垂直位置是這樣控制的，使基板向這些刺針移動時纖維的轉移深度得到增加而使基板向遠離這些刺針移動時纖維的轉移深度得到減小。
在每一次刺針后，纖維結構的總厚度示于標有“T”的欄目中。纖維層1(空氣法纖維網(wǎng))的厚度被確定下來，以用于每次針刺的穿刺，該厚度示于標有“tair”的欄目中，該厚度是通過測量纖維預成形結構的被割開的部分而被確定的。它也可以如前面參照圖10所述的按照預先建立的關系來確定。在穿刺后，用于每一次刺針的纖維層的一個平均厚度是這樣確定的，即，將T減去纖維層1(空氣法纖維網(wǎng))的厚度再除以包括纖維結構的纖維層的層數(shù)即可。平均纖維層厚度tave，如標有“tave”的欄目所示。第一個針鉤相對于用于每一個刺針穿刺的頂層的轉移深度如標有“實際的D11”(“Actual D11”)的欄目所示，并且按照下列等式計算D11＝P0-c+T+F-δ公式(7)其中D11是第一針鉤相對于頂層的轉移深度，δ是相對于初始基板位置的基板位置(正的δ表示一種遠離刺針的運動)，P0是當δ＝0時的初始的刺針穿入深度，T是每一次針刺后總的纖維結構厚度，c是第一針鉤和刺針針尖部之間的距離，而F是壓實因子。圖11中所有線性的尺寸都以毫米mm計。參照圖12，P0定義為在第一次刺針穿刺時當δ＝0時基板的頂部和刺針針尖之間的距離。如圖12所示，當針尖位于基板的下面時P0是正的，而當針尖位于基板的上面時其值為負的。針尖與第一針鉤之間的距離c以及總的針刺后的纖維結構的厚度T也作了圖示。
用于每一次針刺的壓實因子F也按照圖8確定，這樣，一次給定的針刺的針刺后的表面位置可以由基板位置δ和針刺后的厚度T來確定而在針刺期間的估算表面位置是通過將壓實因子F加到針刺后的表面位置來確定的。
為進行這種針刺工藝，如按照圖4所描述的工藝確定的那樣，取得永久纖維轉移的最小距離大約為7mm。因此，為了永久性地轉移由所有三個針鉤掛上并從給定纖維層處轉移的纖維，所有三個針鉤不得不自一給定層的上部邊界處移動至少7mm。在該工藝中采用了這種刺針，其第1個針鉤與第2針鉤相隔1.06mm，而第3針鉤與第2針鉤相距1.06mm，因此，為了借助刺針使離開給定纖維層的由所有3個針鉤掛住的纖維獲得100％的永久性轉移，第1針鉤就應超過給定層的上部邊界移動至少9.12mm(7mm+1.06mm+1.06mm)。圖11中，如前所述，可以設想為，第1針鉤轉移70％的纖維，第2針鉤轉移25％的纖維，第3針鉤轉移5％的纖維。在該處，公式式1-6可以用來計算給定的刺針過程從每個纖維層永久性地轉移的纖維量。然而，下列表格可以用來減少計算的次數(shù)，即只關注第1針鉤相對于每一纖維層的轉移深度即可表1從一給定纖維層n的永久性轉移％ 第1針鉤的纖維轉移深度100 Dn1≥9.1295 9.12＞Dn1≥8.0670 8.06＞Dn1≥7.0025 7.00＞Dn1≥6.500Dn1＜6.50其中，用于每一纖維層的Dn1被按照公式6計算出。表1略去了對于每一單個的針鉤的轉移深度的計算。公式6中，在各針刺步驟中，在纖維層n是一種交叉鋪層的纖維層的情況下，一給定針刺過程的平均纖維層厚度tave被用于該針刺過程的tn值的計算，而在纖維層n是一種空氣法網(wǎng)纖維層的情況下，tair被用于tn值的計算。
還參見表1和第1范圍的轉移深度(Dn≥9.12)，所有3個針鉤都穿入足夠的深，以便100％的纖維被永久性地轉移(70％+25％+5％)。在第2個范圍中(9.12＞Dn≥8.06)，由于只有第1和第2針鉤穿入實現(xiàn)纖維轉移的足夠深度，因此，只有95％的纖維被永久性地轉移。在第3個范圍中(8.06＞Dn≥7.00)，由于只有第1個針鉤穿入到實現(xiàn)纖維轉移的足夠深度，因此，只有70％的纖維被永久性地轉移。這些范圍從前述的針刺條件和圖11的纖維預成型結構的纖維層狀材料的情況易于推導出來。第4個范圍，即25％的永久性纖維轉移，反映了按照圖4工藝，頂層被部分地，而不是全部地接合到相鄰層的一個中間范圍。如參照圖4所述的那樣，頂層以大約6.5mm的一個轉移深度開始連接，并以7.0mm的轉移深度完全連接，因此，以一個增加0.5mm的轉移深度，該工藝明顯出現(xiàn)了從無連接制到完全連接的過渡。反映這種過渡范圍的永久性纖維轉移量的較低增量包括25％的范圍。如表1這樣的一種表可以用于構成任意一種的針刺工藝和任意類型的纖維層。然而，由于這些原則可以應用于幾乎任何一種纖維層狀材料和針刺工藝，因此，本發(fā)明不限于表1的范圍。
下面的實施例示出了按照圖11確定永久性纖維轉移的累計量的方法。圖11中，P0為10.60mm而C為6.36mm。如根據(jù)公式7(10.6mm-6.36mm+12.07mm+1.0mm-3.8mm)計算的那樣，第5次針刺具有離頂層為13.51mm的一個轉移深度，該深度大于9.12mm，9.12mm的深度表示，從頂層(即第5次針刺的纖維層6)轉移的100％的纖維為永久性纖維轉移。因此，＂100＂出現(xiàn)在第5次針刺的纖維層6的一列中。從纖維層4的轉移深度D21為11.8mm(13.51mm-1.70mm)，該深度大于9.12mm，這表明在第5次針刺期間，從纖維層5轉移的100％的纖維為永久性纖維轉移。因此，＂100＂出現(xiàn)在第5次針刺的纖維層數(shù)為5的縱列中。纖維層數(shù)為4的纖維轉移深度D31為10.11mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm)，它比9.12mm大，這表示在第5次針刺期間，100％的纖維從層數(shù)為4的纖維層中作永久性的纖維轉移。因此，＂100＂出現(xiàn)在第5次針刺的纖維層數(shù)為4的縱列上。纖維層3的纖維轉移深度D41為8.41mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm)，該值較9.12mm小，而大于8.06mm，這表明在第5次針刺期間，從纖維層數(shù)為3的纖維層中作永久性轉移的纖維有95％。因此，＂95＂出現(xiàn)在第5次針刺的纖維層數(shù)為3的縱列上。纖維層數(shù)為2的纖維層的轉移深度為6.71mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm)，該值小于7.0mm而大于6.5mm，這表明從纖維層數(shù)為2的纖維層作為永久性轉移的纖維占25％。因此，在第5次針刺的情況下，有5層纖維層為一組(2-6)。對于所有次的針刺來說，都重復這些計算，每一次針刺的轉移量被列入所述的表中。在做了這些工作之后，每一層纖維的纖維轉移的累計量通過累計出現(xiàn)在每一層的縱列欄上的所有永久性纖維轉移量來計算。例如，纖維層數(shù)為4的纖維層所獲得的永久性纖維轉移量值在第三次針刺期間為100，在第四次針刺期間為100，在第五次針刺期間為100，在第六次針刺期間為95，在第七次針刺期間為25，而在該行列的底部總計為420。每層纖維層的永久性纖維轉移的累計值稱為永久性纖維轉移的累計量(CQT)。當纖維以至少2次針刺從一層纖維層被永久性轉移時，CQT量出了每一層纖維層作為永久性纖維轉移的總量。
纖維層1的厚度可從圖10的曲線I獲得，纖維層32的厚度可由圖11的曲線II獲得，因為這兩層都是空氣法纖維網(wǎng)。注意這些層的壓實不同，因為它們是在該工藝中不同點被加上的。這樣，本發(fā)明是易于變通的，并且可以補償出現(xiàn)在整個該工藝中的不同的壓縮(實)特性。
所有纖維層的CQT以一行的形式標明在沿圖11的標有“實際的CQT”(＂ActualCQT＂)的行列的底部的地方。注意，總體上，CQT是從纖維層3處的高值465減少到纖維層32處的低值200。在形成制動盤的時候，在得到相互間隔的兩相對耐磨表面的致密工藝期間或之后，好幾個纖維層都被去掉了。兩耐磨面(WS)的CQT在圖11中作了標示。一個表面的CQT大約為另一個耐磨表面的CQT的兩倍(420/220)。這種非均勻性已由圖11表征的纖維結構的內連層剝離試驗所證實。將纖維層剝離所需的力隨著CQT的減少而減少，這是遵循這樣的一事實，即CQT是對Z纖維的永久性轉移的數(shù)量化。較高的CQT表明有較多數(shù)量的Z-纖維，而Z-纖維可以代表纖維層的連接性。因此，較多的Z-纖維相當于較大的內連層剝離力。
該工藝方法還進一步包括這樣一個步驟，在該步驟中，操縱控制該針刺工藝，以產(chǎn)生一各纖維層的已選擇的CQT。選擇用于包括纖維預成型結構的每一纖維層的CQT值是按照最終纖維預成形結構的理想特性作預成形設計的一個主題，這不屬本發(fā)明的部分。下列的公式8可以用來獲得每層纖維的永久性纖維轉移的理想量值δi＝P0-C+Ti-1+Wi-D11i公式(8)其中δi為用于當前針刺過程I的δ，Ti-1為根據(jù)預針刺過程I-1的纖維結構的總厚度，Wi為一預測因子，D11i為當前針刺的理想的轉移深度D1。預測因子Wi為跟隨當前針刺的頂層設計厚度和針刺的設計壓實因子的累計計量。
利用公式8來在一纖維預成形結構中獲得用于每一層纖維的一理想的CQT值有兩種可能的途徑。在某些情況下，每一次針刺的轉移深度D11i是已知的，該轉移深度將產(chǎn)生一用于每層纖維層的理想的CQT值。在構成一類似的預成形結構期間，與已知的轉移深度在D11i相當?shù)霓D移深度D11i可以產(chǎn)生用于每一纖維層的類似的CQT值?？梢赃@樣來形成將產(chǎn)生一用于每一層的理想的CQT值的已知轉移深度，例如，應用公式7以及至此討論的與本發(fā)明有關的原理，來表征由特別工藝形成的一纖維預成型結構，并確定用于每一針刺的轉移深度和由此得到的用于每一層的CQT值。前面已經(jīng)借助圖11和用公式7很詳細地描述用來表征一預成型結構中用于每一次針刺的D11和每一層的CQT值。圖11中，在“理想的D11值”值的欄目中以及在“理想的CQT值”的一行中已標示出了可從一預先構成的纖維預成型結構獲得的數(shù)據(jù)的示例。
一種其“實際的D11”轉移深度和“實際的CQT”值基本上與“理想的轉移深度D11”和“理想的CQT”值類似的預成型結構可按如下構成。用公式8來計算每一次針刺的δi。首先，確定預測因子Wi。根據(jù)一優(yōu)選的實施例，用于一給定針刺過程(I)的Wi由預針刺過程(I-1)獲得的數(shù)據(jù)而導出。最好，在當前層(I)基本上與先前層(I-1)相同的情況下，Wi可以通過累加tavei-1和Fi-1而獲得。另外，尤其是當各層基本上不相似的情況下，可以采用圖8和圖10中示出的曲線導出用于一給定針刺過程的F和層厚。再參見圖11并作為一個實施例應用第五次針刺，按照第四次針刺的數(shù)據(jù)，通過累加F4(1.0mm)和Tave4(1.91mm)，可以確定W5的值為2.91mm，以用于第五次針刺。因此，根據(jù)公式8，采用在第五次針刺用于D115的理想的轉移深度14.53mm，則δ5為3.8mm(10.6mm-6.36mm+11.18mm+2.91mm-14.53mm)。然后基板被調節(jié)到3.8mm的δ5并且纖維結構受到第五次針刺的作用。
因此，公式8可以用來計算每一針刺的δi?；灞徽{節(jié)到δi且纖維結構受到針刺作用。如前所述，在完成一給定的針刺過程后，包括用于該針刺的纖維結構的纖維層厚度被確定，而公式7被用來建立用于該針刺過程的實際的轉移深度，即可核實該工藝是否在正常進行中。算出的用于每次針刺過程的實際的轉移深度標示在標有“實際D11”的欄目中，這已經(jīng)作過詳細的描述。
圖11的底部示出了實際CQT與用于該工藝的理想的CQT的比較情況。在每次針刺時，實際的CQT值優(yōu)選在理想的CQT值的±10％的范圍內。按照這種工藝來進行預成形結構的成形，使該工藝可以積極有效地對該工藝自身進行調整，以適應在該工藝期間發(fā)生的任何變異，并且獲得非常接近于理想的Z-纖維分布的實際的Z-纖維分布。
各種變異可以出自于該工藝期間的壓實和纖維層層厚的細微的各種變化以及其他一些因素。
根據(jù)代表了本發(fā)明另一方面的另一方案，在每次針刺時，各層的永久性纖維轉移的量值可以被控制，以獲得各纖維層的一理想的CQT值。參見圖13，其中標示了一種表格，該表被用來形成一種纖維預成形結構，該結構在連接的數(shù)個相鄰的纖維層上都具有基本上恒定的CQT值。在該例子中，270的CQT值是各纖維層的理想值，它在沿該表的底部的一排中。其中還對各層的實際CQT值作了描述，其值緊接在理想CQT值之后。如前所述，13層纖維層被針刺在一起，每一層都具有三個交錯疊置的單向的被針刺在一起而形成一連接在一起的纖維層的OPF纖維分層。對于每次針刺，從每一層作永久性纖維轉移的數(shù)量可被如下控制。
以將纖維層1和2針刺在一起，即通過使該纖維層受到第一次針刺來開始這種工藝。通過對纖維預成型結構作適當?shù)臏y量，用公式7來計算出第一次針刺的實際D11為11.12mm，它被表示在圖13的最靠右的一欄中。該工藝中，P0為11.0mm而C為6.36mm。最初的用于第一次針刺的基板的設定是依靠判斷，它應該足以用來連接各纖維層。初始基板位置δ1優(yōu)選地產(chǎn)生一個初始的轉移深度D111，該深度應合理地深以便足以在第一次針刺期間獲得從纖維層1和2的100％的纖維轉移而不對纖維層進過度針刺。如前面那樣，標有“T”的那一欄是預成形結構的針刺后的厚度，標有“tave”的那樣是平均纖維層厚度，該厚度是通過將T除以每次針刺的纖維預成形結構的層數(shù)而計算的。壓實因子F由圖6得到并且也標示在圖13中。
從針刺2開始，一理想的轉移深度D112被確定下來，該深度足以在一組纖維層中從每一層獲得永久性纖維轉移的理想數(shù)量。按照需要，在各針刺步驟，該組纖維層以及各纖維層的數(shù)量都被確定下來，以產(chǎn)生每一層的理想的CQT值。例如，在第二次針刺，由于纖維層3還沒有被針刺并且270的CQT值是所希望的理想值，因此，從纖維層3作永久性轉移的纖維是100％，而由于在第一次針刺之后纖維層2僅具有100的CQT值且270的CQT值是理想的，因此，從纖維層2作永久性轉移的纖維應為100％，并且，由于在第一次針刺之后纖維層1且有僅70的CQT值而270的CQT值是理想的，因此，從纖維層1作永久性轉移的纖維應為100％。這些理想的量值可以排列在例如標示在圖14A中那樣的一個行列中。根據(jù)圖13的纖維層數(shù)顯示在圖14A的第1欄中。該第2欄N表示如公式1至6中采用的那組纖維層中的一給定的的纖維層。注意，第1欄的纖維層數(shù)并不對應于N，因為該組纖維層中，頂層的N總是1。在下一欄中標出了從每一纖維層轉移的理想的量值。最后，在最后一欄中示出了這組纖維層中除最低一層的所有纖維層的估算的纖維層厚度。根據(jù)優(yōu)選的實施例，根據(jù)先前針刺步驟的平均纖維層厚度被用作該估算的纖維層厚度。因此，3.24mm(根據(jù)第一次針刺的tave)顯示在纖維層2(N＝2)和3(N＝1)的深度的欄目中。相對于這一組纖維層中最低層的一理想的轉移深度被確定下來并被置于圖14A中最低層纖維層的深度的欄目中。在該實施例中由于N＝3，該最低纖維層的轉移深度為D312。按照一優(yōu)選的實施例，如表1這樣的表格被用來確定理想的轉移深度。應用該表格，D312必須至少為9.12mm，以便獲得從纖維層數(shù)1(N＝3)的100％的永久性纖維轉移。通過對在圖14A中的“深度”欄目中的數(shù)目進行累加，可以確定相對于頂層纖維層(N＝1)的轉移深度D112為一理想的值15.60mm。用于每一次針刺的理想的轉移深度D11顯示在圖13的“理想的D11”欄目中。用于每次針刺的理想的轉移深度D31顯示在圖13的“理想的D31”欄目中。
然后，該估算的轉移深度D112被用于公式8中，以便確定用于第二次針刺的基板的設定。根據(jù)一個優(yōu)選的實施，公式8中的Wi可以如前所述參見圖11和公式8，將tavei-1和Fi-11累加而確定。對于第二次針刺，W2為3.24mm，而δ2為-1.2mm(11.0mm-6.36mm-6.48mm+3.24mm-15.60mm)，基板的位置δ2為負數(shù)表示在第一次針刺時，相對于初始基板位置朝向刺針移動。該基板被調節(jié)到δ2，纖維結構受到第二次針刺的作用。
在針刺作用后，進行適當?shù)臏y量并用公式7計算出用于第二針刺的實際轉移深度D112為14.61mm。用于每次針刺的實際的轉移深度顯示在圖13的“實際的D11”的欄目中。然后按照前面描述的手段計算出作永久性轉移的實際量值并將其插入圖13中。對于第二次針刺來說，理想的轉移深度足以獲得所有3層的理想的100％的永久性纖維轉移的量值。按照公式6算出的每次針刺的實際轉移深度D31i顯示在圖13的“實際的D31”的欄目中。9.37mm的D312值證實了對于第二次針刺來說，從纖維層1轉移的100％的纖維為永久性轉移，因為該值大于9.12mm(參見表1)。
對于每次針刺重復這一過程，其實例顯示于圖14B和圖14C中，其中，第三和第四次針刺的理想的轉移深度D11被確定下來。這一組纖維層中有3層纖維層，該組纖維層的最低一層(N＝3)纖維的理想轉移量為用于其余次針刺的70％，因為均勻一致的270的CQT值是所要求的。如表1所需求的那樣，70％的最低層纖維層(N＝3)的理想量值可以通過確保每次針刺的D31處于7.00mm和8.06mm之間而取得。在每次針刺通過選擇大約為7.5mm的理想的D31而獲得這一結果。然而，根據(jù)圖13中明顯的轉移深度的走向，該數(shù)目可以向下限或上限漂移。例如，如果用于給定的一次針刺的實際的D31達到8.6mm，則用于下一次針刺的理想的D31可被移到7.00mm(理想的D31＜7.5mm)。類似地，如果用于一給定針刺的D31達到7.00mm，則用于下一個針刺過程的理想的值可以被朝向8.06mm移動(理想的D31＞7.5mm)。以這種方式，轉移深度可以被調節(jié)而保留在必要的極限內，以便在每一次針刺時，獲得理想的永久性纖維轉移的量值。因此，每次針刺的永久性纖維轉移量值可以被控制，以獲得用于每一層的一個理想的CQT。
還參見圖13，注意用于纖維層1的170的實際CQT值明顯的低于270的理想CQT值。獲取用于第1層的理想的CQT值可能是困難的，但是不重要的，因為在纖維預成形結構的隨后的加工期間第1層通常被去除。用于層2至11的實際的CQT值緊跟隨理想的CQT值。纖維層12和13的實際CQT值為低值，但在附加隨后的纖維層期間或在不添加纖維層的情況下使纖維結構受到退縮的針刺時，該實際值CQT可以被增加到理想的CQT值。
不脫離本發(fā)明的各種變型是有可能存在的。例如，圖13中各層的理想的CQT值為相同的。然而，理想的CQT的分布可以從一層到下一層而變化。應用這里公開的內容所提供的原理可以獲得一種具有任何這樣一種分布的纖維預成形結構。進一步地，用于確定Wi的設計纖維層厚度和每次針刺的纖維轉移深度D11i都基于根據(jù)前次針刺的測量。用其他技術可以確定纖維層的設計厚度，例如，從那些圖9和10中所示的曲線，可以導出一給定針刺的設計厚度。類似地，在大致類似的工藝中，在基本上類似的纖維預成型結構的形成期間，給定針刺過程的Wi可通過測定其值而被確定，或根據(jù)任意一個其他的在前面描述過的或相當?shù)氖侄味淮_定。
重要的是，應注意針刺任何給定層的影響實際上波及到好幾個較下部的纖維層。在圖11的13中，在每一針刺步驟中實際上被Z-纖維束穿過的纖維層由虛線示出。小數(shù)的表值表明，在那個針刺步驟期間，纖維從一纖維層的部分被轉移。因此，對隨后一層纖維的針刺則增加了在一下部纖維層中的Z-纖維束的數(shù)量。對隨后一層的纖維層的CQT值的增加，則會增加一下部層的，早先已針刺過的纖維層中的Z-纖維的數(shù)量。
圖6、8、9、10和11是基于纖維層和纖維預成形結構的實際厚度的測量而得到的。在這些圖中，從一個測量到另一個測量的少量的偏移明顯的也是不可避免的。在實施本發(fā)明時，精確和重復測量纖維層厚度和纖維結構的厚度是重要的。按照ASTMDI777-64(1995年被再認可)的“測量紡織材料的標準方法”被優(yōu)選為厚度的測量方法。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，Z-纖維束的分布也可以用數(shù)量來表示，并且，可以獲得一理想的Z-纖維束的分布。再參見圖11，通過累計那些使Z-纖維束穿入到一給定層的針刺的數(shù)量可以估算穿入到每一纖維層的Z-纖維束的數(shù)量。如果在單個針刺期間所產(chǎn)生的Z-纖維束在形成纖維結構的整個過程中都是恒定的，則通過累計在給定欄目中的表值的數(shù)量(包括任何一個小數(shù)的表值(由于Z-纖維束僅穿入纖維層的一部分所致))，可以估算穿入到每一纖維層的Z一纖維束的數(shù)量。圖11中，每一纖維層的總數(shù)標明在名稱為“Zn”的一行中。然后，這樣來估算每層纖維的Z-纖維束的數(shù)量，即用一次針刺所產(chǎn)生的每單位面積的Z-纖維束的數(shù)量乘以Zn即可得到。例如，假定在圖11的工藝中每次針刺產(chǎn)生每平方厘米100個Z-纖維束，每一層的Z-纖維數(shù)量被標在位于名稱為ZpL的那一欄中，在該例子中，其每一層的ZpL值為100乘以Zn。Z-纖維束的數(shù)量還可以包括在形成各纖維層的期間所產(chǎn)生的各纖維層中已經(jīng)包含的任何的Z-纖維束。例如，纖維層2-31可能已經(jīng)具有每平方厘米50個Z-纖維束，因此對于這些纖維層而言，以這個數(shù)量增加了總的ZpL值。如前面討論的那樣，纖維層2-31的每一層都具有3個單向的OPF纖維分層，它們被稍微地針刺在一起而形成一連接在一起的纖維層。纖維層1和32都是空氣法纖維網(wǎng)。兩種類型的纖維層已經(jīng)包含了一定數(shù)量的Z-纖維束。
現(xiàn)參見圖15，按照本發(fā)明的一個方面示出了一纖維結構230的一截面圖。纖維結構230包括一疊在一起的纖維層集201-224，該纖維層集201-224包括一個第1或上部纖維層組232，該上部纖維層組具有一下部纖維層213和一上部的纖維層224。按照一個優(yōu)選的實施例，該第1組232具有多個纖維層。纖維結構230還具有一組Z-纖維束集240，該Z-纖維束集240在201-224的纖維層集中的纖維層之間穿過。Z-纖維束優(yōu)選地用這樣一種針刺工藝來生成，即重疊的纖維層在一組刺針的底下通過，這些刺針被循環(huán)地驅動穿入纖維層中。如在此所使用的那樣，術語“針刺密度”對于給定纖維層來說，是指在那層纖維層中產(chǎn)生的單位面積的Z-纖維束的數(shù)量。例如，Z-纖維束319產(chǎn)生于纖維層219中，并且穿入到在下面的纖維層216-218中。為簡明起見，在圖15中僅示出了由單個刺針產(chǎn)生的Z-纖維束。任何前面描述的針刺工藝適用于實施本發(fā)明。優(yōu)選地，在整個纖維結構的形成中，每一次針刺產(chǎn)生一個恒定的單位面積的Z-纖維束數(shù)量，該單位面積表面對于該單位面積內的Z-纖維束來說是垂直的。這可以這樣來實現(xiàn)，即使得纖維結構在刺針的下面以一個恒定的速度向前移動，并且以一個恒定的速度(每秒的穿刺次數(shù))循環(huán)地驅動刺針穿入纖維結構。然而，重要的是，應該注意到，在纖維結構形成的整個過程中，在給定的針刺期間，單位面積產(chǎn)生的Z-纖維束的數(shù)量可以被改變，這種情況可以這樣實現(xiàn)，即改變纖維結構前進的速度，和/或改變刺針循環(huán)的速度。任何這種變化都應認為是落在本發(fā)明權限的范圍內的。
圖16示出了一種由針刺工藝產(chǎn)生的典型的Z-纖維束。Z-纖維束319產(chǎn)生于纖維層219中，并穿入到下面的纖維層216-218中。一帶鉤的刺針(未圖示)首先滲入纖維層319中并使纖維252產(chǎn)生位移，然后再抽出，因此產(chǎn)生了Z-纖維束319。這些已位移的纖維可以產(chǎn)生在任何一個纖維層216-219中，在圖示的例子中，纖維主要是從纖維層218和219被拉下的。Z-纖維束319只是被用來作個代表性的示意，而纖維層230中的其他Z-纖維束也會穿入不同數(shù)目的纖維層中，和類似于位移纖維252那樣，從多于兩層或少于兩層的纖維層使纖維產(chǎn)生位移，這取決于不同的因素，這些因素包括纖維的類型和針刺工藝的參數(shù)。
再參見圖15，第一組232內的每一個纖維層分別具有具有Z-纖維束240的部分313-324并且纖維束穿入下面的纖維層而不穿過所有下面的纖維層。例如，對于纖維層219來說，Z-纖維束319出現(xiàn)在纖維層219中，并且穿入下面的纖維層216、217和218中而不穿入下面的纖維層201-215中。所有纖維層201-224的圖示表明，每一纖維層都具有出現(xiàn)在這個纖維層中的Z-纖維束301-324部分，并且該部分穿入下面的纖維層中。第1組纖維層232內的Z-纖維束313-324部分，其穿入纖維層數(shù)的情況從下部的纖維層213到上部的纖維層224是增加的。根據(jù)一優(yōu)選的實施例，這種傾向使得每層的Z-纖維的數(shù)量在第1組232內相對于下部纖維層213而增加。例如，比較圖15所示的纖維層213和221的這兩段將發(fā)現(xiàn)纖維層213中的Z-纖維束為22束而纖維層220中的Z-纖維束為36束。如圖所示，每層Z-纖維數(shù)量的增加使得Z-纖維束從上部開始向下延伸從而增加了下部先前已針刺過的纖維層的Z-纖維束的數(shù)量。因此，按照本發(fā)明的一個方面，第1組232內的每一纖維層213-224都有一定數(shù)量的Z-纖維束穿入那一層纖維層中，并且，至少一個纖維層216-220被置于下部纖維層213和上部纖維層224之間并且比下部的纖維層213有更多總量的Z-纖維束，這至少部分地由于下部的纖維層213到上部的纖維層224，纖維層的數(shù)量是增加的。
還參見圖15，該重疊纖維層集201-224還可進一步包括一具有第2下部纖維層207和第2上部的纖維層212的第2或下部纖維組234。按照一優(yōu)選的實施例，第2組234被設置在第1組232的下部。第2組234內的每一纖維層具有在該組纖維層內的Z-纖維束240的307-312部分并穿入下面的纖維層，但不是穿入所有的下面的纖維層201-206。Z-纖維束的部分穿入從第2下部纖維層207到第2上部纖維層212逐漸減少的纖維層中。第2組234內的每一纖維層207-212具有一定數(shù)量的Z-纖維滲入其中，并且至少一設置在纖維層207和纖維層212之間的纖維層有比纖維層207數(shù)量少的Z-纖維束，這至少部分是由于纖維層的數(shù)量從纖維層207到第2上部纖維層212是在減少的。例如，纖維層211和207在圖15所示的這些層的區(qū)段依次各具有21束和29束Z-纖維束。Z-纖維束數(shù)量的減少是因為由Z-纖維束穿入的纖維層的數(shù)目在隨后的針刺期間是減少的，并且Z-纖維束不被轉移到下部的先前已針刺過的纖維層，而要是纖維層的數(shù)目保持恒定或增加的話，這些Z-纖維束是會被轉移的。
根據(jù)一個特別優(yōu)選的實施例，第2組234位于第1組232的下面，并且該纖維層集201-224包括兩個外部纖維層201和224，并且好幾個中間層202-223置于兩個外部纖維層201和224之間。在纖維層集201-224中的每一纖維層具有一定數(shù)量的Z-纖維束穿入其中。Z纖維束最多可分布在201～224層之間，最少要分布在202～223之間。這些數(shù)目的每層纖維層的Z-纖維束的層挨層的分布，如圖15所示可以是以纖維結構230的中心線為對稱的。底下的一組纖維層236具有產(chǎn)生于纖維層201-206中的Z-纖維束集301-306的部分。注意，Z-纖維束產(chǎn)生于纖維層201-206之一層中，并且穿入所有下面的纖維層。236組內的纖維層的數(shù)目取決于理想的Z-纖維分布。
現(xiàn)在參見圖17，所示為一制動盤的徑向截面，它具有一環(huán)形的纖維結構，且具有兩個一般為平的表面244和246，并被一內圓周面250和一外圓周面248所界定。該纖維結構具有類似于圖15的Z-纖維分布，因此，兩外部區(qū)段242較內部區(qū)段243具有更多的Z-纖維束。這些纖維層一般平行于該外部的，大致為一平的面244和246。連接基質穿入該環(huán)形的纖維結構。兩外部區(qū)段242相鄰于平的面層244和246，而一內部區(qū)段243置于兩外部區(qū)段242之間。在一些纖維層中從一個纖維層上拉撥纖維生成Z-纖維束會降低制動盤中該層的抗拉強度(垂直于針刺的方向)。由于針刺而將連續(xù)的長絲弄斷成較短的纖維，因此含有一般為連續(xù)長絲的纖維層都具有這些特性。這樣-種纖維層的抗拉強度隨著在針刺期間從該層拉拔的纖維量的增加而降低。在纖維結構230中，外部區(qū)段242的Z-纖維束較內部區(qū)段243中的Z-纖維束有較長的長度，這即意味有較多的纖維從外部區(qū)段242拉出。因此，在垂直于針刺的方向，兩外部區(qū)段242較內部區(qū)段243有較小的抗拉強度。另一方面，在一纖維層中Z-纖維束數(shù)量的增加傾向于增加該層的抗機械磨損性。因此，外部區(qū)段242較內部區(qū)段243有較高的抗磨性。再者，在纖維層間穿過的Z-纖維束數(shù)量的增加則會增加制動盤層間的剪切強度，從而，外部區(qū)段242還具有比內部區(qū)段243更大的層間剪切強度(應牢記隨著針刺的增加剪切強度會達到一個最大值，然后又會減少)。因此，圖15的穿過厚度的Z-纖維分布提供了一種函數(shù)梯度。制動盤238在相鄰于平的耐磨表面244和246的外部區(qū)段242具有最大的抗磨和抗剪切強度，而在內部區(qū)段243又具有最大的抗拉強度。優(yōu)選地，對于一種特別的纖維結構，針刺工藝以及密實化(壓實的)的方法，這種抗拉強度和層間剪切強度特性作為針刺的函數(shù)被實驗性地確定下來。最后，圖15中的Z-纖維分布可以通過改變出現(xiàn)在每個纖維層中的單位面積的Z-纖維數(shù)量(針刺密度)而得以增強，該單位面積表面對Z-纖維束來說是垂直的。例如，在232和236組中的纖維層可以受到比在234組中的纖維層更大的針刺密度的加工，這就進一步加大了貫穿厚度的Z-纖維梯度的分布。可以用各種方法來完成對針刺密度的增加，這包括增加針刺期間每單位面積的刺針的次數(shù)，和/或使一纖維層受到至少兩次針刺而不增加另外的纖維材料。
現(xiàn)在參見圖18，其中按照本發(fā)明的另一個方面圖示了一纖維結構430。纖維結構430具有一疊置的纖維層集401-424，一個第1組纖維層432，和一個第2組纖維層434。纖維結構430類似于纖維結構230，只是第2組434(類似于組234)是上部組，而第1組432(類似于組232)是置于第2組或上部組434下面的一個下部組。第1組432具有一下部纖維層404和一上部纖維層412，并且優(yōu)選地具有多個纖維層。纖維結構430也具有一在該纖維層集401-424中的纖維層之間穿過的Z-纖維束440集。參見圖15，如前所述，優(yōu)選地，當疊置的纖維層在許多刺針下面被傳送時，刺針被循環(huán)地驅動插入該纖維層中，由這樣的一種針刺工藝產(chǎn)生了Z-纖維束440。為了簡明起見，圖18中僅示出了由單個刺針產(chǎn)生的Z-纖維束。類似于圖15的組236，配置了一個底部組的纖維層組436。
還參見圖18，將第一組432設置在第2組434的下面使得一纖維結構具有與圖15圖示所不同的Z-纖維分布。該纖維層集401-424中的每個纖維層具有一定數(shù)量的Z-纖維束穿入到其中。Z-纖維束的數(shù)量具有這樣一種分布，即在外部纖維層401和424中為最少而在中間纖維層402-423的地方為最多。如圖19所示，這種層靠層的每個纖維層的Z-纖維束的數(shù)量的分布可以以纖維結構430的中心線為對稱。如圖15和19所示的對稱的分布并不是實施本發(fā)明所必須的。另外，本發(fā)明的纖維結構可具有任何數(shù)量的恒定或變化厚度的纖維層，并且對于每一纖維層來說，由Z-纖維束穿入的纖維層的數(shù)量可以按照圖15和19所示的那樣進行改變而產(chǎn)生各種Z-纖維分布，而這些分布對于本領域的技術人員來說借助在此公開的內容是明顯的。任何這種變化都應認為落入本發(fā)明權限的范圍內。
現(xiàn)在參見圖19，其中按照本發(fā)明的另一個方面，示出了一種均勻的纖維結構630。纖維結構630具有一重疊的纖維層集601-620，該纖維層集包括一個下部纖維層601和一上部纖維層620。纖維層601和620也被作為最外部的纖維層。一Z-纖維束集640穿過該組纖維層601-620中的纖維層間。該重疊的纖維層集601-620包括一上部纖維層組632和一個在該上部纖維層組下面的下部纖維層組634。Z-纖維束集640接合在該組纖維層601-620中。上部纖維層組632中的每個纖維層606-620具有一個Z-纖維束集的部分706-720該Z-纖維束集出現(xiàn)在該層纖維層中并且穿過數(shù)個位于該層纖維層之下的纖維層而不穿過位于該層纖維層之下的所有的纖維層。在上部區(qū)段632中由Z-纖維束706-720穿入的纖維層數(shù)量是恒定的。數(shù)個纖維層的下部組634中的每一層纖維601-605都具有一個Z-纖維束集部分，它們產(chǎn)生于該層纖維層中，并且穿過位于該層纖維層下面的所有的纖維層。
根據(jù)一個實施例，每一纖維層都具有一定數(shù)量的Z-纖維束穿入到該纖維層中，并且該Z-纖維束的數(shù)量是恒定的。例如，纖維結構630中，出現(xiàn)在上部組632的Z-纖維束706-720的各段穿入5個相鄰的纖維層，其結果是，在示出的截面中，每一纖維層601-620各具有43束Z-纖維束。優(yōu)選地，這種情況可通過下述方法來實現(xiàn)，即由恒定數(shù)目的在上部組632的Z-纖維束穿入到該確定數(shù)目的纖維層中，以此來保持一個恒定的針刺密度，并且在下部組634中設置必要數(shù)目的纖維層，以便在下部組的纖維層中獲得理想數(shù)目的Z-纖維束。注意，圖19中，下部纖維層組634中的纖維層的數(shù)目與在上部組632中由Z-纖維穿入的纖維層的數(shù)目是一致的(5個)。該纖維結構630在從纖維層601-620的整個厚度上具有均勻的物理特性。由使該纖維結構630密實化而制得的制動盤在該盤的整個厚度上具有均勻的耐磨性、強度和熱傳導特性。由于其整個厚度上是均勻的，因此，當該盤磨損時，這些特性都保持恒定。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，即提供一種纖維結構，該纖維結構具有穿入一恒定數(shù)目的纖維層的Z-纖維束，每一纖維層都有一定數(shù)目的Z-纖維束滲入其中，并且該Z-纖維的數(shù)目在纖維結構中是不恒定的。例如，最外層的纖維層較置于該最外層之間的中間的纖維層來說具有其兩倍數(shù)量的Z-纖維束。在形成纖維結構時，通過改變針刺密度可以改變Z-纖維束的數(shù)量。在對內部段243的纖維層針刺的時候，將針刺密度減小到一最小值，可以取得功能上與圖15所示的分布類似的一種Z-纖維分布。利用這種方法設置在最外層纖維層之間的纖維層將具有最少量的Z-纖維束產(chǎn)生于該層中。以一個初始針刺密度來開始對第1纖維層的針刺，在對中間層的纖維層的針刺時，減少至一個最小的或少量的針刺密度，而在對最后的纖維層的針刺時增加到一個最后的針刺密度。初始和最后的針刺密度一般可以相等，并且一般相應于一個最大的針刺密度。如果針刺密度改變的話，出現(xiàn)在每一纖維層的單位面積的Z-纖維數(shù)量就是不恒定的。因此，通過將Z-纖維束穿入一個在上部組632中恒定數(shù)目的纖維層，可以取得一預定的Z-纖維束分布。
按照本發(fā)明的另一個方面，即提供一種形成纖維結構的方法，該纖維結構可通過改變Z-纖維束的長度而被賦予具有一種預定的Z-纖維束分布。在描述該方法時請參照圖15的纖維結構230，然而，該方法同樣也應用于其他的具有另外的Z-纖維的分布的纖維結構上，而任何這種變化都應認為落入本發(fā)明權限的范圍內。本發(fā)明的方法包括下列步驟，在多次針刺中對纖維層進行針刺，將一纖維層集201-224疊置在一起，因此在纖維層201-224的纖維層集中產(chǎn)生一個Z-纖維束集，每次針刺都產(chǎn)生穿過數(shù)個相鄰纖維層的Z-纖維束集部分，Z-纖維束集240的每一部分302-324僅穿入那些需要更多Z-纖維束的相鄰的纖維層，以便在纖維層集201-224的每一層纖維層中獲得預定數(shù)量的Z-纖維束。例如，可以假定，在一纖維結構中，表2所示的預定的Z-纖維束分布是所希望的分布，其中N為在單個針刺期間產(chǎn)生的單位面積內的Z-纖維束的數(shù)量。
表2纖維層 Z-纖維束數(shù)量1-3 6*N4-6 5*N7-9 4*N10-15 3*N16-18 4*N19-21 5*N22-24 6*N
具有這種Z-纖維分布的一種纖維結構230可以這樣形成，對纖維層進行多次針刺，使每次針刺在每一層中產(chǎn)生一組纖維束，這組纖維束穿入到表3所示的那個數(shù)目的纖維層中。以該實施例為例，可以設想，將纖維層201針刺到至少一層下部纖維層200上，以此來開始加工，因為一般至少需要2個纖維層來產(chǎn)生Z-纖維束，除非纖維層201相當?shù)暮?。此外，為了在加工結束時在纖維層322-324中產(chǎn)生Z-纖維束，還提供了纖維層225和226。
表3針刺 纖維層數(shù)1 22 33 44 55-8 69-10 511-12 413-18 319-22 423-25 5264275284293在隨后的加工中纖維層200和225-226被去掉，這就讓纖維結構230具有理想的Z-纖維分布。在隨后的CVI/VD處理期間，去除外部纖維層是一種常規(guī)的加工。不過在纖維結構230的兩側面提供相同數(shù)目的可去除的纖維層是理想的，因為在隨后的加工處理期間，最好是從兩側去除相同量的材料。在從針刺層202到224的每一穿刺之前，即時地加一層附加的纖維層。纖維層225受到一次初始針刺(針刺25)，接下來是一個其纖維結構相對于刺針組被降低了的退縮了的針刺，然后再受到一個針刺(針刺26)，而纖維層226受到一個初始的針刺(針刺27)，接著是兩次退縮的針刺(針刺28和29)。針刺25和26產(chǎn)生Z-纖維束325，而針刺27-29產(chǎn)生Z-纖維束326。附加纖維層的數(shù)目和退縮的針刺的數(shù)量取決于外層纖維層中的理想的Z-纖維分布。注意，表2的Z-纖維分布是關于纖維結構的中點對稱的，而用于每次針刺的相鄰纖維層的數(shù)目是非對稱的。并且在纖維層集201-224中是變化的。因此，按照優(yōu)選的實施例，對纖維層集201-224疊加和針刺的步驟是從底部纖維層200開始的，并且進行到頂層纖維層224或者在提供附加層的情況下超出頂層224，如進行到纖維層225和226。在每一個針刺穿針期間，最好每單位面積內產(chǎn)生一恒位定數(shù)量的Z-纖維束。然而，在形成纖維結構的整個過程中，單位面積產(chǎn)生的Z-纖維束的數(shù)量是可以變化的。
本發(fā)明的工藝方法具有相當大的柔性，并且可以用來產(chǎn)生多種Z-纖維分布。表4示出了具有Z-纖維分布的纖維結構430的一種纖維結構，可以通過在如表5所示的每次針刺期間產(chǎn)生Z一纖維束來生產(chǎn)該纖維結構。對于該實施例來說，可以設想，可以這樣來開始該工藝，將纖維層401針刺到至少1層下部的纖維層400上，因為一般至少需要兩層纖維層來產(chǎn)生Z-纖維束，除非纖維層401相當厚。此外，在本工藝的末期，提供纖維層425，以便在針刺25期間在纖維層424產(chǎn)生Z-纖維束525。在隨后的工藝中纖維層400和425都被去除掉，這就讓纖維結構430具有理想的Z-纖維分布。如對于纖維結構230，理想的是，在兩側提供相同數(shù)目的可去除的纖維層，因這在隨后的加工中，最好從該纖維結構的兩側去除相同數(shù)量的材料。從針刺2到24，在每次針刺之前，加上一層附加的纖維層。
表4纖維層 Z-纖維束數(shù)201-2033*N204-2064*N207-2095*N
210-215 6*N216-218 5*N219-221 4*N222-224 3*N表5針刺 纖維層數(shù)1 22-637-10 411-13 514-20 621-22 523-24 4252具有圖19的纖維結構630的Z-纖維分布的一種纖維結構可以這樣來生產(chǎn)，即，如表6所示，在每次針刺期間產(chǎn)生Z-纖維束。纖維結構630在每一層纖維層601-620中具有恒定數(shù)量的Z-纖維束，其數(shù)量可以是5*N。至于該實施例，可以設想，這樣來開始該工藝，即將纖維層601針刺到至少一層下部纖維層600上，因為一般至少需要兩層纖維層來產(chǎn)生Z-纖維束，除非纖維層601相當?shù)暮?。此外，在該工藝的末期，為了在針?1期間在纖維層620中產(chǎn)生Z-纖維束721，提供了纖維層621。在隨后的加工處理期間，將纖維層600和621去除，這就使纖維結構630留有一種理想的Z-纖維分布。從針刺2至20，在每次針刺之前加一層附加的纖維層。在針刺密度恒定的情況下，表6的值可生成一種均勻的纖維結構。但如前所述，其針刺密度可以是非恒定的且在針刺加工期間可被改變，以產(chǎn)生一種預定的Z-纖維分布。
表6
針刺纖維層數(shù)1 22 23 34 45-20 521 2在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在多次針刺中，將纖維層集連結在一起，每次針刺包括下列步驟，將至少一層纖維層疊置在通過先前的針刺已經(jīng)連接在一起的纖維層上。產(chǎn)生的纖維束從至少一層纖維層伸到先前已經(jīng)連接在一起的纖維層上，每一個在先前已連接在一起的纖維層在隨后的針刺期間接受Z-纖維束，直到該層的Z-纖維束達到該層預定的一個Z-纖維束的數(shù)量，因此，在纖維層集的每一纖維層具有該層纖維預定的一個Z-纖維束的數(shù)量。由至少一部分針刺的所產(chǎn)生的Z-纖維束并不穿入所有先前已針刺過的纖維層。如到現(xiàn)在為止描述的那樣，由成組的Z-纖維束穿入的相鄰纖維層的數(shù)目一直是以整數(shù)來表述的，為的是簡化對本發(fā)明的描述。當需要的時候，為獲得理想的Z-纖維分布，相鄰的纖維層的數(shù)目還可以包括小數(shù)(或分數(shù))的纖維層。在實際應用中，由成組的Z-纖維束穿入的相鄰纖維層的數(shù)目一般包括由小數(shù)來表示的纖維層。
參見圖15-19所描述的為形成具有理想的Z-纖維束的纖維結構的工藝，在應用時可以考慮如圖1-14所描述的壓實和最小轉移，或不考慮這些因素。在被轉移的纖維極少有或沒有拉回其起始的那一層或那些層纖維層的趨勢的情況下，則沒有必要考慮最小的纖維轉移。若用于特殊工藝的纖維層在隨后的針刺期間極少有或沒有壓實的趨勢的情況下，則沒有必要考慮先前已針刺過的纖維層的壓實因素。如果壓實是一種因素的話，則最好用公式7來計算在一給定的針刺期間實際的轉移深度，并最好用公式8來計算下一次針刺的基板的位置設定。通過將在下一次針刺中要被Z-纖維穿入的的一定數(shù)目的纖維層(在有由小數(shù)表示層數(shù)的情況下應包括由小數(shù)表示的層數(shù))的厚度相加在一起，則可確定公式8中的理想的轉移深度D11i。由任何一種參照圖1-14所公開的方法可以估算各個纖維層的厚度。如前面參見圖11所描述的那樣，根據(jù)本發(fā)明的工藝可以交替地在公式7和公式8之間，利用一種自動地受控制的“預測器-修正器”技術而施行。
按照一種優(yōu)選的實施例，所有或某些纖維層具有3個單向的連續(xù)的OPF纖維的分纖維層，如前所述，它們被稍微地針刺在一起而形成一個連接在一起的纖維層。該針刺工藝利用了一種帶孔的基板，如圖4A和4B所示，并且最好應考慮壓實因素及最小轉移因素。然而，重要的是，應注意，用于一給定的針刺工藝的最小轉移，壓實特性以及纖維的轉移特性都被以實驗為基礎地確定下來，以用于該工藝中。這種特性可根據(jù)在此公開的原理加以確定。
最后，還參考對圖15-19描述的工藝，沒有必要確定從每層纖維層轉移的纖維量和確定那些纖維從其上轉移的纖維層組，或者沒有必要對于每一層都形成具有理想的CQT的纖維結構。然而，最好對CQT值數(shù)量化，因為它表明，在纖維結構中纖維從何處開始轉移，以及從每一層中轉移了多少纖維。如前所述，從某纖維層中轉移纖維則會影響到該層纖維層的機械強度。最好，至少在部分纖維結構中將CQT值維持在一預定的范圍內。根據(jù)圖15，用于制動盤的纖維結構最好在其耐磨表面具有的ZpL值是在每平方厘米650-750個Z-纖維束的范圍內，并且在接近中心線的地方具有一最小的ZpL值，其值大約為500-600的范圍之間(包括在形成那層纖維層期間產(chǎn)生的已出現(xiàn)在各纖維層中的任何的Z-纖維束)。在根據(jù)圖11計算的時候(最好用公式6a)，耐磨表面之間的每一層的CQT值最好維持在200-500的范圍內。用于按照圖19的制動盤的纖維結構可以具有一般為恒定的大約為每平方厘米625個Z-纖維束的ZpL值且其CQT值在250-350的范圍內。
通常垂直于針刺方向上的單位面積的Z-纖維數(shù)可以通過改變針刺密度，通過改變在此公開的轉移深度，以及通過一起改變針刺密度和轉移深度而在一給定的纖維層內得以變化?？梢岳萌魏蔚倪@些途徑來應用本發(fā)明，并且，任何這類的變化都被認為是落入本發(fā)明權限的范圍內。在根據(jù)間增加每單位面積的刺針穿刺數(shù)，和/或使一個纖維層受到至少兩次針刺而不添加另外的纖維材料。
用于圖17中的制動盤238的一種有梯度的Z-纖維分布可以以其他方式來實現(xiàn)。這種工藝方法可以包括這樣的步驟以多次針刺形成一種Z-纖維束集，這些纖維束在疊置著的纖維層集中的纖維層之間穿過，由此形成了一種具有兩個外部區(qū)段242和一個在兩個外部區(qū)段242之間的內部區(qū)段243，每一次針刺都具有一個針刺密度，并在形成兩外部區(qū)段242時其針刺密度大于在形成內部區(qū)段時的針刺密度。通過形成滲入纖維層中的連接基質，從這樣一種纖維結構可以形成一種制動盤。兩外部區(qū)段242較內部區(qū)段243具有更多的Z-纖維束。如參見圖17所述的那樣，由此制得的制動盤在外部區(qū)段242比在內部區(qū)段243具有較小的平行于表面244和246的抗拉強度及具有較大的耐磨性?？梢赃@樣來增加其針刺密度，即在添加另外的纖維材料之前，使外部區(qū)段242中的至少一層纖維層受到至少兩次針刺。通過改變每平方面積的刺針穿刺的數(shù)量或綜合這兩種技術，也可改變針刺密度。任何一種這樣的工藝可以與任何一種到此為止所討論的工藝結合而加以應用。
顯然，可能有各種各樣的變化方案，但它們都不脫離由以下權利要求限定的本發(fā)明的真正的范圍和精神。
權利要求
1.一種用于形成纖維結構的方法，包括步驟將一纖維層集疊置在一起并通過多次針刺將纖維層集針刺在一起，該纖維層集內產(chǎn)生一Z-纖維束集，每次針刺都產(chǎn)生穿過相鄰纖維層的Z-纖維束集的一部分，每部分Z-纖維束只穿過那些需要更多Z-纖維束的相鄰纖維層，以便在纖維層集中的每個纖維層內獲得預定數(shù)量的z-纖維束。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中所說的將纖維層集重疊并且針刺的步驟由下纖維層開始，并向上纖維層進行，部分所說的Z-纖維束集產(chǎn)生于所說的上纖維層并且穿進放置在所說上纖維層下面的至少一個纖維層，而不是穿過放置在所說上纖維層下面所有所說的纖維層。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其中所說的纖維層集包括上組纖維層和放置在所說上組纖維層下面的下組纖維層，一部分所說的Z-纖維束集產(chǎn)生于所說上組纖維層中的纖維層內，而不伸進位于所說上組纖維層下面所有所說的纖維層。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其中在整個所說的纖維層集中所說的每一纖維層的預定數(shù)量的Z-纖維束是恒定的。
5.根據(jù)權利要求1的方法，其中所說的每一纖維層的預定數(shù)量的Z-纖維束在整個所說的纖維層集中是變化的。
6.根據(jù)權利要求1的方法，其中在所說的疊加和針刺所說的纖維層集期間，先前針刺的纖維層在針刺后續(xù)加入的纖維層過程中被壓實。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中在每次針刺時產(chǎn)生的Z-纖維束具有的長度等于由該次針刺的那些纖維束滲透的相鄰纖維層估算纖維層厚度的總和，如果所說數(shù)量的相鄰纖維層包括小數(shù)的纖維層，則所說的纖維層總和也包括小數(shù)的纖維層的厚度。
8.根據(jù)權利要求1的方法，其中在每次針刺期間產(chǎn)生單位面積上恒定數(shù)量的Z-纖維束，所說的單位面積與位于單位面積表面之內的所說Z-纖維束垂直。
9.根據(jù)權利要求8的方法，其中每一所說部分Z-纖維束部分都穿進相同數(shù)量的相鄰纖維層。
10.根據(jù)權利要求8的方法，其中至少一部分所說的Z-纖維束與至少其它部分所說的纖維束不同并穿進不同數(shù)量的相鄰纖維層。
11.根據(jù)權利要求8的方法，其中所說的相鄰纖維層的數(shù)量對于至少一次針刺來說是一整數(shù)。
12.根據(jù)權利要求1的方法，其中在至少一次針刺期間產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維層數(shù)量不同于在至于另一次針刺期間產(chǎn)生的所說的單位面積上Z-纖維層數(shù)量，所說的單位面積與位于單位面積面之內的所說Z-纖維束垂直。
13.一種用于形成纖維結構的方法，包括步驟通過多次針刺將纖維層集連接在一起，每次針刺包括將至少一層纖維層疊加到由前次針刺而先行連接在一起的纖維層之上，而且產(chǎn)生出從至少一個纖維層伸進先前連接在一起的纖維層內的Z-纖維束，在后續(xù)針刺期間，每個先前連接的纖維層接受Z-纖維束，直到在那個纖維層內Z-纖維束的數(shù)量達到其要求達到的z-纖維束的預定數(shù)量為止，從而在纖維層集中的每一個纖維層都具有該纖維層所要求的Z-纖維束的預定數(shù)量。
14.根據(jù)權利要求13的方法，其中由至少一部分所說針刺過程產(chǎn)生的所說Z-纖維束不穿過所說的所有的先前針刺纖維層。
15.根據(jù)權利要求13的方法，其中在整個所說的纖維層集中每個纖維層的所說Z-纖維束的預定數(shù)量是恒定的。
16.根據(jù)權利要求13的方法，其中在所說的纖維層集內，每一個纖維層的所說的Z-纖維束的預定數(shù)量是變化的。
17.根據(jù)權利要求13的方法，其中所說的先前針刺的纖維層在后續(xù)針刺期間被壓實。
18.根據(jù)權利要求13的方法，其中在每次針刺期間產(chǎn)生單位面積上恒定數(shù)量的Z-纖維束，所說的單位面積與位于所說的單位面積面內的所說Z-纖維束垂直。
19.根據(jù)權利要求13的方法，其中至少一次針刺期間產(chǎn)生的單位面積上所說Z-纖維束數(shù)量不同于在至少另外一次針刺期間產(chǎn)生的單位面積上所說Z-纖維束數(shù)量，所說的單位面積與位于所說單位面積面內的所說Z-纖維束垂直。
20.一種用于形成纖維結構的方法，包括步驟確定每次針刺時由Z-纖維束穿過的相鄰纖維層的理想數(shù)量，這樣，在每一層中，由每一次針刺而產(chǎn)生的Z-纖維束總數(shù)等于對該纖維層所要求的Z-纖維束的預定數(shù)量；以及將纖維層集疊置并通過多次針刺將其針刺在一起，該針刺在纖維層集內產(chǎn)生Z-纖維束集，由每次針刺產(chǎn)生的Z-纖維束穿過所需數(shù)量的相鄰的纖維層，從而在纖維層集中的每一纖維層都獲得理想數(shù)量的Z-纖維束。
21.根據(jù)權利要求20的方法，其中在每次針刺期間產(chǎn)生單位面積上恒定數(shù)量的Z-纖維束，在疊加及針刺所說的纖維層集期間先前針刺的纖維層在針刺后續(xù)加入的纖維層期間被壓實，所說的單位面積面與位于所說單位面積內的所說Z-纖維束垂直。
22.一種用于加工纖維結構的方法，包括步驟在一疊置的纖維層集內形成于纖維層之間穿過的Z-纖維束集，所說的疊置的纖維層集包括具有一個下纖維層和一個上纖維層的第一組纖維屋，在該第一組纖維層內的每一纖維層都具有一定數(shù)量的Z-纖維束產(chǎn)生于該纖維層內，并且穿過位于該纖維層之下的數(shù)個纖維層，而不穿過位于該纖維層之下的所有纖維層，所述纖維層的數(shù)量由下纖維層向上是增加的。
23.根據(jù)權利要求22的方法，其中所說的第一組纖維層含有數(shù)個纖維層。
24.根據(jù)權利要求22的方法，其中至少部分由于所述纖維層的數(shù)量從所說的下纖維層向所說的上纖維層是增加的，所說第一組纖維層內的每個纖維層具有許多Z-纖維束穿進該纖維層。
25.根據(jù)權利要求22的方法，其中在所說的第一組纖維層內在每個纖維層內產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維束的數(shù)量是恒定的，所說的單位面積面與位于所說單位面積內的所說Z-纖維束垂直。
26.根據(jù)權利要求25的方法，其中在所說的第一組纖維層內在每個纖維層內產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維束的數(shù)量是變化的，所說的單位面積面與位于所說單位面積內的所說Z-纖維束垂直。
27.根據(jù)權利要求22的方法，其中所說的疊置的纖維層集包括具有一個第二下纖維層及一個第二上纖維層的第二組纖維層，在所說的第二組纖維層內的每個纖維層都具有產(chǎn)生于該纖維層內的一部分所說的Z-纖維束集并且它們穿過放置在該纖維層下面的若干個纖維層，而不是穿過放置在該纖維層下面的所有所說的纖維層，所說的纖維層數(shù)量從所說的第二下纖維層向所說的第二上纖維層是減少的。
28.根據(jù)權利要求27的方法，其中至少部分地由于所說的纖維層數(shù)量從所說的第二下纖維層向所說的第二上纖維層在增加，在所說的第二組纖維層內的每個纖維層都有穿進該纖維層的若干個Z-纖維束。
29.根據(jù)權利要求27的方法，其中所說的第二組纖維層放置在所說的第一組纖維層下面。
30.根據(jù)權利要求27的方法，其中所說的第一組纖維層放置在所說的第二組纖維層下面。
31.根據(jù)權利要求27的方法，其中所說的第二組纖維層直接放置在所說的第一組纖維層下面，以及在所說的纖維層集內的每個纖維層都有穿進該纖維層的若干個Z-纖維束，所說的Z-纖維束的數(shù)量在所說的外部纖維層內最多，在所說的中間纖維層內最少。
32.一種纖維結構，包括包括具有下纖維層與上纖維層之第一組纖維層的一疊置纖維層集；以及在位于纖維層集內的纖維層之間穿過的Z-纖維束集，在第一組纖維層內的每一纖維層都有一部分Z-纖維束產(chǎn)生于該纖維層內，并且刺進其下面的纖維層，而不穿過所有在其下面的纖維層，部分Z-纖維束穿入纖維層的數(shù)目是從下纖維層向上纖維層增加的。
33.根據(jù)權利要求32的纖維結構，其中所說的第一組纖維層含有數(shù)個纖維層。
34.根據(jù)權利要求32的纖維結構，其中至少部分由于所說的纖維層數(shù)從所說的下纖維層到所說的上纖維層是增加的，在所說的第一組纖維層內的每個纖維層都有穿進該纖維層的若干Z-纖維束。
35.根據(jù)權利要求32的纖維結構，其中在所說的第一組纖維層內于每個纖維層內產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維束的數(shù)量是恒定的，所說的單位面積面與在該單位面積內的所說Z-纖維束垂直。
36.根據(jù)權利要求32的纖維結構，其中在所說的第一組纖維層內于每個纖維層內產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維束的數(shù)量是變化的，所說的單位面積面與在該單位面積內的所說Z-纖維束垂直。
37.根據(jù)權利要求32的纖維結構，其中所說的疊置的纖維層集包括具有一個第二下纖維層及一個第二上纖維層的第二組纖維層，在所說的第二組纖維層內的每個纖維層都具有產(chǎn)生于該纖維層內的一部分所述的Z-纖維束集并且它們穿進下面相鄰的纖維層，但不穿過所有所說的下面直接相鄰的纖維層，所述的纖維束部分穿入從所述的第二下纖維層到所說的第二上纖維層增加數(shù)量的纖維層中。
38.根據(jù)權利要求37的纖維結構，其中至少部分地由于所說的纖維層數(shù)從所說的第二下纖維層到所說的第二上纖維層在減少，在所說的第二組纖維層中的每一個纖維層都具有一定數(shù)目的Z-纖維束穿進該纖維層。
39.根據(jù)權利要求37的纖維結構，其中所說的第二組纖維層放置在所說的第一組纖維層下面。
40.根據(jù)權利要求37的纖維結構，其中所說的第一組纖維層放置在所說的第二組纖維層下面。
41.根據(jù)權利要求37的纖維結構，其中所說的第二組纖維層放置在所說的第一組纖維層的下面，以及在所說的纖維層集內的每個纖維層都具有穿進該纖維層的一定數(shù)目的Z-纖維束，所說的一定數(shù)目的Z-纖維束具有在所說的外纖維層內最多以及在所說的中間纖維層內某個位置上最少的分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及用針刺法形成纖維結構的領域，本發(fā)明提供一種針刺方法，用一系列針刺，通過控制在形成纖維結構期間的轉移深度，在纖維結構中獲得所需要的Z-纖維分布。每個針刺都產(chǎn)生穿進相鄰纖維層的部分Z-纖維束，Z-纖維束只穿進那些需要更多纖維束的相鄰纖維層，以便在每個纖維層內獲得預定數(shù)量的Z-纖維束。
文檔編號F16D69/02GK1152044SQ9612167
公開日1997年6月18日 申請日期1996年10月4日 優(yōu)先權日1995年10月4日
發(fā)明者P·W·施翰, R·S·H·利 申請人:B·F·谷德里奇公司