CN107119390A - 碳纤维预制件的差别针刺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及碳纤维预制件的差别针刺，公开了一种包括多个层的碳‑碳复合物，所述多个层包括碳纤维或碳前体纤维，所述层包括限定第一主要表面的第一外部层、限定第二主要表面的第二外部层以及布置于第一外部层和第二外部层之间的至少一个内部层，所述至少一个内部层具有周边区域，该周边区域形成所述预制件的外表面的一部分。预制件包括针刺纤维，其中至少一些针刺纤维延伸通过两个或更多个层。所述预制件具有外部区域和核芯区域，其中所述外部区域包括至少一个内部层的至少周边区域。所述针刺纤维限定外部区域中的第一针刺纤维数密度（NFND）和核芯区域的至少一部分中的更大的第二NFND。

Description

碳纤维预制件的差别针刺

技术领域

本公开涉及碳-碳复合材料的制造，诸如由碳-碳复合材料制成的飞行器制动盘的制造。

背景技术

碳-碳复合材料是包括具有用碳纤维增强的碳的基体的复合材料。碳-碳（C-C）复合部件能够被用于许多高温应用中。例如，航空工业针对商用和军用飞行器采用C-C复合部件作为摩擦材料，诸如制动摩擦材料。

一些碳-碳复合物，诸如用在航空工业中的一些碳-碳复合制动盘，可以由多孔预制件制成，该预制件包括多层碳纤维，其可以使用若干过程中的一种或多种被致密化，所述过程包括化学气相沉积/化学气相渗透（CVD/CVI）、真空/压力渗透（VPI）或者树脂传递模塑（RTM），以用碳来渗透多孔预制件。在致密化过程之前，一些预制件会经受针刺过程。

发明内容

在一些示例中，本公开描述了一种用于制造碳-碳复合物的预制件，所述碳-碳复合物包括多个层，所述多个层包括碳纤维或碳前体纤维，其中所述多个层沿中央轴线堆叠以形成层叠，其中所述多个层包括限定所述预制件的第一主要表面的第一外部层、限定与第一主要表面相对的预制件的第二主要表面的第二外部层以及布置于第一外部层和第二外部层之间的至少一个内部层，所述至少一个内部层具有周边区域，其形成预制件的外表面的一部分；以及多个针刺纤维，其中所述多个针刺纤维中的至少一些针刺纤维延伸通过所述多个层中的两个或更多个层；其中所述预制件具有外部区域和核芯区域，其中所述外部区域包括所述至少一个内部层的至少周边区域；其中所述多个针刺纤维限定外部区域中的第一针刺纤维数密度（NFND）和核芯区域的至少一部分中的第二NFND，其中第二NFND大于第一NFND。

在一些示例中，本公开描述了一种包括沿中央轴线堆叠包括碳纤维或碳前体纤维的多个层以形成层叠的方法，其中所述多个层包括第一外部层、第二外部层和布置于第一外部层和第二外部层之间的至少一个内部层，其中所述至少一个内部层包括邻近所述层叠的外部表面的至少一个周边区域；以及实质上平行于所述中央轴线针刺所述层叠以形成包括多个针刺纤维的预制件，其中所述多个针刺纤维中的至少一些针刺纤维延伸通过所述多个层中的两个或更多个层，其中所述预制件包括核芯区域和外部区域，其中所述外部区域包括所述至少一个内部层的所述至少一个周边区域，其中所述外部区域至少部分地围绕所述核芯区域，其中所述多个针刺纤维限定在外部区域中的第一针刺纤维数密度（NFND）和在核芯区域中的第二NFND，并且其中第二NFND大于第一NFND。

在一些示例中，本公开描述了一种包括多个层的碳-碳复合物，所述多个层包括：碳纤维，其中所述多个层沿中央轴线堆叠以形成盘形层叠从而限定内直径和外直径；多个针刺纤维，其中所述多个针刺纤维中的至少一些针刺纤维延伸通过所述多个层中的两个或更多个层；以及布置于所述盘形层叠中的致密材料，其中所述致密材料至少部分地包围所述碳纤维和所述多个针刺纤维中的至少一些，其中所述碳-碳复合物包括形成盘形层叠的外直径的第一复合直径区域、形成盘形层叠的内直径的第二复合直径区域以及在第一复合直径区域和第二复合直径区域之间的中央区域，其中所述多个针刺纤维限定第一复合直径区域中的第一NFND、第二复合直径区域中的第二NFND和中央区域中的第三NFND，其中第一NFND或第二NFND中的至少一者不同于第三NFND。

本公开还包括以下技术方案：

方案1. 一种用于制造碳-碳复合物的预制件，包括：

包括碳纤维或碳前体纤维的多个层，其中所述多个层沿中央轴线堆叠以形成层叠，其中所述多个层包括限定所述预制件的第一主要表面的第一外部层、限定与所述第一主要表面相对的所述预制件的第二主要表面的第二外部层以及布置在所述第一外部层和所述第二外部层之间的至少一个内部层，所述至少一个内部层具有周边区域，该周边区域形成所述预制件的外表面的一部分；以及

多个针刺纤维，其中所述多个针刺纤维中的至少一些针刺纤维延伸通过所述多个层中的两个或更多个层；

其中所述预制件具有外部区域和核芯区域，其中所述外部区域包括所述至少一个内部层的至少所述周边区域；

其中所述多个针刺纤维限定所述外部区域中的第一针刺纤维数密度（NFND）和所述核芯区域的至少一部分中的第二NFND，其中所述第二NFND大于所述第一NFND。

方案2. 根据方案1所述的预制件，其中所述核芯区域包括形成从所述中央轴线测得的所述核芯区域的外直径的第一复合物直径区域、形成从所述中央轴线测得的所述核芯区域的内直径的第二复合物直径区域以及径向地处于所述第一复合物直径区域和所述第二复合物直径区域之间的中央区域，

其中所述多个针刺纤维限定所述第一复合物直径区域中的第三NFND、所述第二复合物直径区域中的第四NFND和所述中央区域中的第五NFND，

其中所述第三NFND、所述第四NFND或所述第五NFND中的至少一者大于所述第一NFND。

方案3. 根据方案2所述的预制件，其中所述第三NFND或所述第四NFND中的至少一者大于所述第五NFND。

方案4. 根据方案2所述的预制件，其中所述第五NFND大于所述第三NFND或所述第四NFND中的至少一者。

方案5. 根据方案1所述的预制件，其中所述预制件限定带有实质上正交于所述中央轴线的所述第一主要表面和所述第二主要表面的盘形状，其中所述第一主要表面和所述第二主要表面由平行于所述中央轴线测得的所述预制件的厚度分隔开，其中所述预制件包括沿所述中央轴线通过所述预制件的厚度的开孔，

其中所述至少一个内部层的所述周边区域包括形成所述盘形状的外直径的第一周边区域；并且

其中所述至少一个内部层包括形成所述盘形状的内直径的第二周边区域。

方案6. 根据方案5所述的预制件，其中所述外部区域包括所述第一外部层、所述第二外部层和所述第二周边区域中的至少一者。

方案7. 一种方法，包括：

沿中央轴线堆叠包括碳纤维或碳前体纤维的多个层以形成层叠，其中所述多个层包括第一外部层、第二外部层和布置在所述第一外部层和所述第二外部层之间的至少一个内部层，其中所述至少一个内部层包括邻近所述层叠的外部表面的至少一个周边区域；以及

实质上平行于所述中央轴线针刺所述层叠以形成包括多个针刺纤维的预制件，其中所述多个针刺纤维中的至少一些针刺纤维延伸通过所述多个层中的两个或更多个层，

其中所述预制件包括核芯区域和外部区域，其中所述外部区域包括所述至少一个内部层的所述至少一个周边区域，其中所述外部区域至少部分地围绕所述核芯区域，其中所述多个针刺纤维限定所述外部区域中的第一针刺纤维数密度（NFND）和所述核芯区域中的第二NFND，并且其中所述第二NFND大于所述第一NFND。

方案8. 根据方案7所述的方法，其中所述核芯区域是盘形的并且包括形成从所述中央轴线测得的所述核芯区域的外直径的第一复合物直径区域、形成从所述中央轴线测得的所述核芯区域的内直径的第二复合物直径区域以及径向地位于所述第一复合物直径区域和所述第二复合物直径区域之间的中央区域，

其中所述多个针刺纤维限定所述第一复合物直径区域中的第三NFND、所述第二复合物直径区域中的第四NFND和所述中央区域中的第五NFND，

其中所述第三NFND、所述第四NFND或所述第五NFND中的至少一者大于所述第一NFND。

方案9. 根据方案8所述的方法，其中所述第三NFND或所述第四NFND中的至少一者大于所述第五NFND。

方案10. 根据方案8所述的方法，其中所述第五NFND大于所述第三NFND或所述第四NFND中的至少一者。

方案11. 根据方案7所述的方法，其中所述预制件限定带有实质上正交于所述中央轴线的第一主要表面和第二主要表面的盘形状，其中所述第一主要表面和所述第二主要表面由平行于所述中央轴线测得的所述预制件的厚度分隔开，其中所述预制件包括沿所述中央轴线通过所述预制件的厚度的开孔，

其中所述至少一个内部层的所述周边区域包括形成所述盘形状的外直径的第一周边区域；并且

其中所述至少一个内部层包括形成所述盘形状的内直径的第二周边区域。

方案12. 根据方案7所述的方法，其中所述外部区域包括所述第一外部层、所述第二外部层和所述第二周边区域中的至少一者。

方案13. 根据方案7所述的方法，还包括致密化所述预制件以形成碳-碳复合物。

方案14. 根据方案7所述的方法，其中所述多个层中的至少一个层包括双重层，其中通过将至少一个网状层针刺于至少一个纤维束层形成所述双重层。

方案15. 根据方案7所述的方法，还包括碳化所述预制件。

方案16. 根据方案7所述的方法，其中针刺所述层叠包括：

使用包括多个针的针板；以及

使所述多个针分布在所述针板上以形成所述第一针刺纤维数密度和所述第二针刺纤维数密度。

方案17. 根据方案7所述的方法，其中针刺所述层叠包括：

使用包括具有倒钩的多个针的针板；以及

改变每个针的倒钩数量以形成所述第一针刺纤维数密度和所述第二针刺纤维数密度。

方案18. 根据方案7所述的方法，其中针刺所述层叠包括改变针刺速率以形成所述第一针刺纤维数密度和所述第二针刺纤维数密度。

方案19. 一种碳-碳复合物，包括：

包括碳纤维的多个层，其中所述多个层沿中央轴线堆叠以形成限定内直径和外直径的盘形层叠；

多个针刺纤维，其中所述多个针刺纤维中的至少一些针刺纤维延伸通过所述多个层中的两个或更多个层；以及

布置在所述盘形层叠中的致密材料，其中所述致密材料至少部分地包围所述碳纤维和所述多个针刺纤维中的至少一些，

其中所述碳-碳复合物包括形成所述盘形层叠的外直径的第一复合物直径区域、形成所述盘形层叠的内直径的第二复合物直径区域以及所述第一复合物直径区域和所述第二复合物直径区域之间的中央区域，

其中所述多个针刺纤维限定所述第一复合物直径区域中的第一NFND、所述第二复合物直径区域中的第二NFND和所述中央区域中的第三NFND，其中第一NFND或第二NFND中的至少一者不同于所述第三NFND。

方案20. 根据方案19所述的碳-碳复合物，其中所述第一NFND或所述第二NFND中的至少一者大于所述第三NFND。

以下的附图和描述中阐述了本公开的一种或多种示例的细节。从描述和附图以及从权利要求中将显而易见到本公开的其它特征、目标和优点。

附图说明

图1是可以被用于制造致密的碳-碳复合物的示例预制件的示意性立体图。

图2是包括用于形成预制件的多个层的示例性层叠的示意性立体图。

图3是沿横截面A-A的图1的示例预制件的示意性横截面图。

图4是示例预制件的示意性横截面图。

图5A-5E是预制件的核芯区域的示例的示意性横截面图。

图6是图示制造预制件的示例技术的流程图。

图7A-7C是利用三迭代针刺过程形成的预制件的示例层叠的部分的示意性横截面图。

具体实施方式

本公开描述了用于制造多孔预制件的技术，该预制件被用于生产致密的碳-碳（C-C）复合物，该复合物可以被用于例如形成盘式制动器。所描述的多孔预制件可以包括多个层，其包括与多个针刺纤维针刺在一起的碳纤维或碳前体纤维。可以改变针刺纤维的放置和分布以例如相比于预制件的一个或多个内部区域，在预制件邻近多孔预制件的外直径或内直径中至少一者的区域中形成不同的针刺纤维数密度。

如本文所使用的，“针刺纤维数密度”或者“NFND”被用于描述预制件的单位体积内的针刺纤维的数量。因此相比于具有更低NFND的区域，具有更高NFND的区域在每单位体积中具有更高的数量（例如，群体密度）的针刺纤维。NFND可以被表示为在预制件的单位体积内针刺纤维的数量相比于纤维的总数量的百分比。例如，对于具有10%NFND的给定单位体积将包括大约10%的针刺纤维含量。

如本文所使用的，预制件的“外部区域”被用于描述所得的针刺预制件的外部表面，其随后在预制件的致密化加工期间通过机加工过程被去除并且不会存在于最终所得的C-C复合物中。外部区域可以包括预制件的内部层的至少一个周边区域。

如本文所使用的，预制件的“核芯区域”被用于描述被转化成最终C-C复合物的预制件的部分。核芯区域可以被外部区域部分地或者完全地围绕。

在一些示例中，在邻近多孔预制件的外直径或内直径中的至少一者的多孔预制件的区域中增加NFND可以改进在外直径或内直径中的至少一者附近的区域中的最终C-C复合物的层间剪切强度，其中剪切力最大而不生成多孔预制件的其它区域的过量的针刺纤维，否则过量的针刺纤维将会妨碍在多孔预制件上执行后续致密化周期（诸如化学气相沉积（CVD）或化学气相渗透（CVI）的周期）的效率或能力。

图1是可以被用于制造致密的碳-碳复合物的示例预制件10的示意性立体图。预制件10包括第一外部层11a、第二外部层11b和多个内部层12（集体地被称为“多个层11和12”），其包括碳纤维或者碳前体纤维。多个层11和12沿中央轴线22堆叠以形成层叠16。预制件10也包括多个针刺纤维20，其至少部分延伸通过所述多个层11和12中的两个或更多个层。在一些示例中，针刺纤维20可以实质上竖直地（例如，竖直地或者几乎竖直地）延伸通过层叠16（例如，大体平行于中央轴线22）。虽然附图将针刺纤维20图示为大体上平行于中央轴线22，不过在一些示例中，至少一些针刺纤维 20可以不平行于中央轴线22并且可以在层叠16中采取其它取向，包括例如波浪形的、成角度的、弯曲的等等。

在一些示例中，预制件10可以呈限定预制件外直径（OD）的盘的形状。预制件10也可以包括沿中央轴线22延伸通过层叠16的中央开孔28。中央开孔28可以限定预制件10的预制件内直径（ID）。在一些示例中，预制件10的预制件外直径（OD）可以在大约14.5英寸（例如，大约37厘米）和大约25英寸（例如，大约64厘米）之间。预制件10的预制件内直径（ID）可以在大约4.5英寸（例如，大约12厘米）和大约15英寸（例如，大约38厘米）之间。在一些示例中，预制件10可以是部分盘形（例如，新月形）或者不同的几何构型。

多个层11和12可以包括碳纤维或碳前体纤维的任意合适的构造。图2是示例层叠100的示意性立体图，其包括多个层118，所述多个层118包括碳纤维或碳前体纤维（集体地被称为“纤维14”），所述纤维被构造成形成一个或多个纤维束层（tow layer）114、网状层112或其组合。纤维束层114可以包括纤维14的一个或多个纤维束120。纤维14的纤维束120可以被设置成任意合适的设置，包括例如线性的、辐射状的、弦状的等等。网状层112可以包括网状纤维122，其可以包括纤维14的相对短的、切碎的且缠绕的纤维。

在一些示例中，多个层118可以包括多个纤维束层114、多个网状层112或其组合。例如，层118可以包括纤维14的双重层116。在一些这样的示例中，可以通过结合一个或多个纤维束层114与一个或多个网状层112来形成双重层116。例如，网状层112可以被针刺在纤维束层118上以形成双重层116。针刺过程可以引起一些网状纤维122部分地转移到纤维束层114中以将网状层112连结到纤维束层114。部分地转移到纤维束层114中的网状纤维122可以形成针刺纤维（例如，图1的针刺纤维20）。在一些示例中，形成双重层116可以结合本文所描述的一种或多种针刺技术以将纤维束层114连结到网状层112。在其它示例中，形成双重层116可以结合其它针刺技术（例如，贯穿双重层116均匀分布针刺纤维），其中所得的双重层116通过使用本文所描述的一种或多种针刺技术连结到彼此。如本文所使用的，术语纤维14的“层”不旨在被限制为一种具体类型的层（例如，网状层112或者纤维束层114）并且可以包括一个或多个层被组合在一起的构造（例如，包括与纤维束层114组合的网状层112的双重层116）。另外，虽然一些附图（例如，图1）示出用于形成相应层叠和预制件的相对小的数量的层，但是由本文所描述的技术生产的预制件（例如，预制件10）可以包括任意数量的纤维层（例如，30层或更多）以产生所得预制件的期望厚度（T）。在一些示例中，纤维的每个层118均可以具有沿平行于（例如，平行或几乎平行于）中央轴线22的方向测得的大约1毫米（mm）至大约2 mm的厚度。

在一些示例中，多个层118可以包括碳或碳前体材料的大的单位面积重量（arealweight）纤维层（织物），所述材料包括例如氧化聚丙烯腈（O-PAN）、人造丝等等。在一些示例中，多个层118可以被形成为具有在大约1250和大约3000 克每平方米（g/m²）之间的，诸如在大约1350和大约2000 g/m²之间的单位面积基础重量。在一些示例中，形成包括大的单位面积重量的纤维层（织物）（例如，O-PAN纤维）的层118可以帮助增加多个层118的单位面积基础重量，同时维持开放孔构造，如下文进一步讨论的，这可以帮助改进加工时间和效率以及降低操作成本。在一些示例中，通过使用大的单位面积重量纤维层（织物）114增加层118的单位面积基础重量可能需要更少的针刺以将相应的层118连结在一起，同时也建立了带有更宽和更深的孔的更加开放的层叠100，相比于带有更小或更窄的孔的其它层叠，其更容易用致密化材料渗透，并且相比于带有更小单位面积基础重量纤维的层叠和预制件，不实质上减小层叠100的密度。

返回图1，层叠16包括第一外部层11a、至少一个内部层（例如，多个内部层12）和第二外部层11b。第一外部层11a可以限定第一主要表面（在图1中未示出）并且第二外部层11b可以限定预制件10的第二主要表面18。在第一主要表面和第二主要表面18之间的实质上平行于中央轴线22测得的间隔限定预制件10的厚度（T）。在一些示例中，遍及预制件10厚度（T）可以是实质上一致的（例如，一致或者几乎一致）。

虽然第一外部层11a和第二外部层11b中的每一个均被描绘且描述为纤维14的单个层，但是在一些示例中，第一外部层11a或者第二外部层11b中的至少一个可以是堆叠在一起的两个或更多个层的组合或者可以是单个层的一部分。

多个层11和12（例如，关于图2描述的一个或多个网状层112、纤维束层114、双重层116等等）可以通过使用差别针刺技术（differential needling technique）被针刺在一起以在预制件10内形成多个针刺纤维 20。在一些示例中，针刺纤维20可以由于针刺过程而形成，在该过程中，一些纤维14被至少部分地转移到层叠16内的一个或更多个相邻层内。在一些这样的示例中，可以由被冲压/针刺到多个层11和12中的一个或多个层内的网状纤维（例如，图2的网状纤维122）形成针刺纤维20。在一些示例中，可以由被转移到层叠16内的一个或多个相邻层内的初始被包括在纤维束（例如，图2的纤维束120）内的纤维14形成针刺纤维20。例如，针刺过程会破坏被包含在纤维束中的一些纤维14并且将被破坏的纤维至少部分地转移到层叠16内的一个或多个相邻层内以形成针刺纤维20。在一些示例中，针刺纤维20可以帮助将多个层11和12中的层固定到彼此。额外地或者替代性地，针刺过程和所得的针刺纤维20可以部分地压缩层12，从而形成相比于包括未被针刺在一起的层12的层叠16更加致密的预制件。

针刺纤维20可以包括与纤维14实质上相同（例如，相同或者几乎相同）的材料。例如，针刺纤维20可以包括碳纤维或碳前体纤维（包括，例如，氧化聚丙烯腈（O-PAN）、人造丝等等）。在一些示例中，针刺纤维20可以经受初始碳化周期以将任意碳前体材料转化成碳。

层叠16内的多个层11和12中的每个层可以如关于图3所描述的那样关于不同区域被描述，其中图3是沿横截面A-A的图1的预制件10的示意性横截面视图。可以关于不同区域描述预制件10，所述区域包括外部区域132，其可以包括预制件10的可以随后在致密化过程（例如，CVI致密化）的一部分期间被移除的区域，其中该外部区域132可以被机加工去除以暴露核芯区域134，该核芯区域134代表通过预制件10的致密化过程产生的所得C-C复合物的最终尺寸。在一些示例中，外部区域132可以包括多个内部层12的至少第一周边区域140a（其可以代表直接邻近预制件外直径（OD）的区域）并且可选地包括第一外部层11a和第二外部层11b以及多个内部层12的第二周边区域140b（其可以代表直接邻近预制件内直径（ID）的区域）。

在其中预制件10呈包括中央开孔28的盘的形式的一些示例中，第二周边区域140b可以被定位成邻近预制件内直径表面30b（例如，最接近中央轴线22从而限定预制件内直径（ID）的区域），并且第一周边区域140a可以被定位成邻近预制件10的预制件外直径表面30a（例如，最远离中央轴线22从而限定预制件外直径（OD）的区域）。

可以关于不同区域（例如，描述核芯区域134的所述多个内部层12的区域）进一步描述所述多个内部层12，所述不同区域包括第一复合物直径区域24a、第二复合物直径区域24b和中央区域26，如下文进一步描述的那样。在一些示例中，所述多个内部层12可以包括第一复合物直径区域24a，其代表在预制件10已经被致密化且被机加工成适当大小之后将变成所得C-C复合物的外直径的所述多个内部层12的区域（例如，形成核芯区域134的外直径的区域）。在一些示例中，第一复合物直径区域24a可以邻近预制件10内的第一周边区域140a并且关于其径向向内。在一些示例中，所述多个内部层12也可以包括第二复合物直径区域24b，其代表在预制件10已经被致密化且被机加工成适当大小之后将变成所得的C-C复合物的内直径的所述多个内部层12的区域（例如，形成核芯区域134的内直径的区域）。在一些示例中，第二复合直径区域24b可以邻近预制件10内的第二周边区域140a并且可以关于其径向向外。在一些示例中，多个内部层12的核芯区域134也可以包括中央区域26，该中央区域26径向地定位在第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b之间。

在一些示例中，在用以致密化多孔预制件10且生成C-C复合物的致密化过程（例如，CVI/CVD）期间，可以将含碳气体沉积在预制件10的纤维14和针刺纤维20上和周围以增加所得C-C复合物的密度和期望的强度/摩擦特性。因为预制件10变得致密，因此由于使用CVI/CVD施加的含碳气体的碳材料的累积可以减小预制件10的孔隙度，具体地外部区域132中的孔隙度，从而减小含碳气体渗透和致密化预制件10的内部区域（例如，限定核芯区域134的区域）的能力。在一些示例中，在致密化过程期间反复地机加工外部区域132可以通过部分地去除预制件10的外部表面以去除孔会被堵塞或被显著收缩的预制件10的部分而帮助促进含碳气体扩散进入核芯区域134内。

在一些示例中，可以通过使用如在下文进一步描述的差别针刺技术改进致密化过程，该差别针刺技术通过在外部区域132中用相比于核芯区域134减小的针刺纤维数密度（NFND）生产预制件10。例如，第一外部层11a、第二外部层11b、多个内部层12的第一周边区域140a和多个内部层12的第二周边区域140b（例如，形成外部区域132的预制件10的部分）中的一者或多者可以包括小于形成核芯区域134的部分的NFND的第一NFND。使预制件10的外部区域132中的NFND保持相对低以形成带有相比于核芯区域134（例如，带有更高的NFND且因此具有更低的孔隙度的区域）更高的空隙度的区域可以减小外部区域134内可能发生的瓶颈效应的可能性。在预制件10的后续CVI/CVD加工期间，由更低的NFND导致的外部区域132内的更高的孔隙度可以促进含碳气体更多地扩散通过外部区域132进入核芯区域134内。

在一些示例中，外部区域132可以部分地或者完全地包围核芯区域134。在一些示例中，外部区域132可以限定实质上正交于（例如，正交或者几乎正交于）第一主要表面和第二主要表面（例如，第一主要表面18）的大约2毫米（mm）至大约10毫米每侧面（例如，每个主要表面）的厚度。额外地或者替代性地，第一周边区域140a和第二周边区域140b可以具有沿实质上正交于（例如，正交或者几乎正交于）中央轴线22的径向方向测得的大约6 mm的厚度。在一些示例中，核芯区域134的第一周边区域24a和第二周边区域24b可以分别具有沿实质上正交于（例如，正交或者几乎正交于）中央轴线22的径向方向测得的大约5 mm至大约25mm的厚度。

图4是示例预制件150的示意性横截面视图（例如，沿截面A-A截取的图1的预制件10的横截面视图），其形成层叠145，相比于外部区域142，该层叠145在核芯区域144中具有更高的NFND的针刺纤维20。预制件140包括堆叠在一起以产生层叠145的第一外部层141a、第二外部层141b和多个内部层143。在一些示例中，外部区域142可以包括多个内部层143的第一周边区域140a，并且可选地包括第一外部层141a、第二外部层141b和多个内部层143的第二周边区域140b中的一者或多者。在一些示例中，核芯区域145可以包括多个内部层143的内部区域（例如，形成径向地在第一周边区域140a和第二周边区域140b之间的空间的内部层143的部分）。

在一些示例中，如图4中所示增加层叠145的核芯区域144的NFND可以帮助改进预制件150的加工效率和/或所得的C-C复合物的性能特性。例如，增加层叠145的核芯区域144（例如，所述多个内部层143的内部区域）内的NFND可以帮助通过增加可用于将热传递离开主要表面的针刺纤维20的量来改进离开所得的C-C复合物的主要表面（例如，在后续机加工和致密化之后将由核芯区域144限定的主要表面）的导热性。相比于不包括具有更高NFND的核芯区域144的C-C复合物，这可以改进C-C复合物的摩擦性能。

额外地或者替代性地，在一些示例中，本文所描述的用以形成预制件10的差别针刺技术可以导致预制件10在核芯区域134的不同区域内具有不同的NFND。所得的差别针刺可以被用于使得预制件在预制件10的核芯区域134内具有一个或多个NFND梯度。在一些示例中，如下文所讨论的，所述一个或多个NFND梯度可以沿预制件的径向方向（例如，当从预制件内直径（IN）至预制件外直径（OD）测量时产生的NFND梯度）。

图5A是带有多个层的示例预制件130a的示意性横截面视图（例如，沿横截面A-A的图1的预制件10），所述多个层包括第一外部层17a、第二外部层17b和多个内部层13（集体地被称为“多个层13和17”），其用多个针刺纤维20连结在一起，所述针刺纤维20至少部分地延伸通过所述多个层13和17中的两个或更多个。预制件130a可以包括外部区域162和核芯区域164a。在一些示例中，外部区域162（为清楚起见未示出）的NFND可以小于核芯区域164a的NFND。如图5A中所示，核芯区域164a可以包括多个内部层13的内部部分。在一些示例中，核芯区域164a的特征可以进一步在于核芯区域164a内的不同区域，包括邻近第一周边区域140a的第一复合物直径区域24a、邻近第二周边区域140b的第二复合物直径区域24b以及径向地位于第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b之间的中央区域26。在一些示例中，第一复合物直径区域24a可以具有相对于核芯区域164a的其它部分（例如，多个内部层13的第二复合物直径区域24b和中央区域26）的更高的NFND。第一复合物直径区域24a内的针刺纤维20的更高的NFND可以关联于第一复合物直径区域24a内最终的C-C复合物中的改进的层间剪切强度（其可以沿所得的C-C复合物的外直径（例如，核芯区域164a的外直径）），其中相对于C-C复合物的其它区域，在该第一复合物直径区域24a内剪切力可以更加普遍。额外地或者替代性地，在一些示例中，第一复合物直径区域24a内的更高的NFND可以帮助改进使热远离C-C复合物的摩擦表面（例如，在预制件130a的致密化和机加工之后核芯区域164a的主要表面）的导热性和热耗散，从而改进C-C复合物的摩擦性能。

图5B示出被应用于预制件130b的核芯区域164b的差别针刺的另一示例。图5B是带有多个层的另一示例预制件130b的示意性横截面视图（例如，沿横截面A-A的图1的预制件10），所述多个层包括第一外部层17a、第二外部层17b和多个内部层15（集体被称为“多个层15和17”），其用多个针刺纤维20连结在一起，所述针刺纤维20至少部分地延伸通过所述多个层15和17中的两个或更多个。预制件130b可以包括外部区域162和核芯区域164b。在一些示例中，外部区域162（为了清楚起见未示出）的NFND可以小于核芯区域164b的NFND。如图5B中所示，核芯区域164b可以包括多个内部层15的内部部分。在一些示例中，核芯区域164b的特征可以进一步在于核芯区域164b内的不同区域，其包括邻近第一周边区域140a的第一复合物直径区域24a、邻近第二周边区域140b的第二复合物直径区域24b以及径向地位于第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b之间的中央区域26。在一些示例中，第二复合物直径区域24b可以具有相对于核芯区域164b的其它部分（例如，多个内部层15的第一复合物直径区域24a和中央区域26）更高的NFND。在一些示例中，第二复合物直径区域24b内的针刺纤维20的更高NFND可以关联于最终C-C复合物中第二复合物直径区域24b内的改进的层间剪切强度（例如，沿所得C-C复合物的内直径（例如，核芯区域164b的内直径））。

图5C示出被应用于预制件130c的核芯区域164c的差别针刺的另一示例。图5C是带有多个层的另一示例预制件130c的示意性横截面视图（例如，沿横截面A-A的图1的预制件10），所述多个层包括第一外部层17a、第二外部层17b和多个内部层19（集体地被称为“多个层19和17”），其用多个针刺纤维20连结在一起，所述针刺纤维20至少部分地延伸通过所述多个层19和17中的两个或更多个。预制件130c可以包括外部区域162和核芯区域164c。在一些示例中，外部区域162（为了清楚起见未示出）的NFND可以小于核芯区域164c的NFND。如图5C中所示，核芯区域164c可以包括多个内部层15的内部部分。在一些示例中，核芯区域164c的特征可以进一步在于核芯区域164c内的不同区域，其包括邻近第一周边区域140a的第一复合物直径区域24a、邻近第二周边区域140b的第二复合物直径区域24b以及径向地位于第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b之间的中央区域26。在一些示例中，第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b可以具有相对于核芯区域164c的其它部分（例如，多个内部层19的中央区域26）更高的NFND。根据最终C-C复合物的应用，在一些示例中，相比于多个内部层19的中央区域26，第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b二者（例如，最靠近最终C-C复合物的内直径和外直径的区域）会经受增加的剪切力。因此，相比于中央区域26的NFND，增加多个内部层19的第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b二者的NFND可以帮助改进所得C-C复合物的剪切强度。

图5D示出被应用于预制件130d的核芯区域164d的差别针刺的另一示例。图5D是带有多个层的示例预制件130d的示意性横截面视图（例如，沿横截面A-A的图1的预制件10），所述多个层包括第一外部层17a、第二外部层17b和多个内部层52（集体地被称为“多个层52和17”），其用多个针刺纤维20连结在一起，所述针刺纤维20至少部分地延伸通过所述多个层52和17中的两个或更多个。预制件130d可以包括外部区域162和核芯区域164d。在一些示例中，外部区域162（为了清楚起见未示出）的NFND可以小于核芯区域164d的NFND。如图5E中所示，核芯区域164d可以包括多个内部层52的内部部分。在一些示例中，核芯区域164d的特征可以进一步在于核芯区域164d内的不同区域，其包括邻近第一周边区域140a的第一复合物直径区域24a、邻近第二周边区域140b的第二复合物直径区域24b以及径向地位于第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b之间的中央区域26。在一些示例中，中央区域26可以具有相对于核芯区域164b的其它部分（例如，多个内部层52的第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b）更高的NFND。这样的构造可以导致预制件130d在核芯区域164d的中央区域26中具有最高的NFND的针刺纤维20，并且在外部区域162中具有最低的NFND。增加预制件130d的中央区域26内的NFND可以通过增加可用于将热从所得C-C复合物的主要表面（例如，在致密化和机加工预制件130d之后形成的主要表面）传导离开的针刺纤维20的量来帮助改进所得C-C复合物的导热性。相比于不包括带有相比于复合物的其它区域更高的NFND的核芯区域26的C-C复合物，这可以改进C-C复合物的摩擦性能。

图5E示出被应用于预制件130e的核芯区域164e的差别针刺的另一示例。图5E是带有多个层的示例预制件130e的示意性横截面视图（例如，沿横截面A-A的图1的预制件10），所述多个层包括第一外部层17a、第二外部层17b和多个内部层62（集体地被称为“多个层62和17”），其用多个针刺纤维20连结在一起，所述针刺纤维20至少部分地延伸通过所述多个层62和17中的两个或更多个。预制件130e可以包括外部区域162和核芯区域164e。在一些示例中，外部区域162（为了清楚起见未示出）的NFND可以小于核芯区域164e的NFND。如图5E中所示，核芯区域164e可以包括多个内部层52的内部部分。在一些示例中，核芯区域164e的特征可以进一步在于核芯区域164e内的不同区域，包括邻近第一周边区域140a的第一复合物直径区域24a、邻近第二周边区域140b的第二复合物直径区域24b以及径向地位于第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b之间的中央区域26。在一些示例中，第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b以及中央区域26可以具有相对于核芯区域164e的其它部分（例如，构成第一复合物直径区域24a和中央区域26之间的空间以及第二复合物直径区域24b和中央区域26之间的空间的核芯区域164e的部分）更高的NFND。这样的构造可以导致，相比于预制件130e的其它部分，预制件130e在第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24a和24b以及中央区域26内具有最高的NFND的针刺纤维20。在一些示例中，增加这些区域中的NFND可以帮助改进所得的C-C复合物的导热性以及提高将在已经致密化且机加工预制件130e之后形成所得的C-C复合物的内直径和外直径的区域内的层间剪切强度。例如，相比于核芯区域164e的相对高的NFND，外部区域162中的相对低的NFND可以帮助改进在CVI/CVD加工期间含碳气体朝向核芯区域164e的扩散。另外，相比于核芯区域164e的其它部分，第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b以及中央区域26的相对高的NFND也可以改进在相应的高NFND区域中所得的C-C复合物的层间剪切强度。

在一些示例中，其特征在于包括相对高的NFND的区域内的NFND可以具有大于大约10%（例如，大约10%至大约20%）的NFND。在其特征在于包括相对低的NFND的区域中，NFND可以小于大约10%（例如，大约5%至大约10%）。

可以使用任意合适的技术来形成本文所描述的预制件。图6是图示制造预制件的示例技术的流程图。为了图示的简单，关于图1-3和图7A-7C的预制件和层叠描述图6的示例方法；然而，可以使用所描述的技术形成其它层叠或预制件，并且可以使用其它技术制成图1-3和图7A-7C的预制件和层叠。

图6的示例技术包括沿中央轴线22堆叠包括纤维14的多个层11和12以形成层叠16（40）。如上文所描述的，所述多个层11和12中的每一个均可以包括任意合适数量和构造的包括纤维14的层，包括例如包括纤维14的网状纤维122的网状层112、纤维14的纤维束120的纤维束层114、包括被针刺于一个或多个纤维束层114的一个或多个网状层112的双重层116、其组合等等。纤维14可以包括碳纤维或碳前体纤维。在一些示例中，所述多个层11和12可以被预制造成限定预制件内直径（ID）和预制件外直径（OD）的盘的形状。

图6的技术也包括针刺层叠16以形成多个针刺纤维20从而形成包括代表形成外部表面（例如，第一主要表面、第二主要表面18、预制件外直径表面30a和预制件内直径表面30b）的预制件10的区域的外部区域132和核芯区域134的预制件10，其中外部区域132具有小于核芯区域134（42）中的NFND的第一NFND。在一些示例中，外部区域可以包括第一外部层11a和第二外部层11b、内部层12的第一周边区域140a和内部层12的第二周边区域140b。在一些示例中，外部区域132可以包括限定第一NFND的针刺纤维20，并且核芯区域134可以包括限定相比于第一NFND而言更高的纤维20的NFND的一个或多个区域。

如上文所描述的，针刺纤维20可以由于针刺过程而形成，在该过程中，多个层11和12中的一个或多个的一些纤维14被至少部分地转移到层叠16内的一个或多个其它层11和12内。在一些这样的示例中，针刺纤维20可以由被冲压/针刺到多个层11和12中的一个或多个层内的作为网状纤维（例如，图2的网状纤维122）被包括的纤维14形成。在一些示例中，针刺纤维20可以由被转移到层叠16内的一个或多个其它层12内的初始地被包括在纤维束（例如，图2的纤维束120）中的纤维14形成。例如，针刺过程可以破坏被包含在纤维束中的一些纤维14并且将被破坏的纤维至少部分地转移到层叠16内的一个或多个层内以形成针刺纤维20。

在一些示例中，使用例如旋转环形针刺件（needler）或非旋转环形针刺件，可以将针刺纤维20至少部分地针刺穿过两个或更多个层12以将相应的层12连结在一起。在环形针刺件的情况中，可以通过将多个层11和12中的两个或更多个针刺在一起且之后将一个或多个附加层11和12堆叠（40）在先前针刺的层的顶部上，并且针刺（42）所述附加层来形成预制件10。在一些示例中，环形针刺件可以具有大约每分钟700个冲程或更多（比如，在大约850和大约1250个冲程/分钟之间的冲程速度）的针冲程速率和大约2 rpm的旋转滚动速度（bowl speed）。在一些示例中，可以通过增加滚动旋转速度（例如，3 rpm）同时将每转的冲程比保持在大约350个冲程每转来减少针刺时间。在一些示例中，可以使用带有针的选定分布、倒钩比或二者的针板来针刺（42）层叠16。

在一些示例中，在针刺过程（42）期间，可以将第一外部层11a放置在柔软的材料（诸如泡沫环）上，且将一个或多个附加层（例如，内部层12）放置在第一外部层11a的顶部上以允许针和针刺纤维20一直穿透第一外部层11a而不损坏针。多个层11和12的堆叠（40）和针刺（42）可以继续直至预制件10达到目标厚度T为止。

在一些示例中，可以使用多步迭代过程堆叠（40）和针刺（42）多个层11和12以建立如上文所描述的不同NFND的区域（例如，图4-5）。例如，图7A-7C示出使用三迭代针刺过程形成的示例层叠200的一部分的横截面视图。图7A示出第一针刺过程，其中第一外部层70a和一个或多个内部层72被堆叠（40）和针刺（42）在一起。在一些示例中，针刺第一外部层70a（42）可以导致至少第一外部层70a形成外部区域80的限定针刺纤维20的第一NFND的部分。在一些示例中，第一NFND可以是贯穿整个第一外部层70a相对一致的（例如，一致或几乎一致）。

在一些示例中，针刺以连结第一外部层70a和一个或多个内部层72a的第一针刺过程（42）可以用针板执行，该针板被构造成限定贯穿这两个层（待连结的第一组层）的期望NFND。在一些这样的示例中，针板可以被构造成带有更低的针密度以在第一外部层70a中产生第一NFND。在一些示例中，针板可以具有实质上一致（例如，一致或者几乎一致）的针密度。

图7B示出第二针刺过程，其中一个或多个附加内部层 72b已经被堆叠（40）在先前形成的初始层叠200a上并且被针刺（42）在一起以产生中间层叠200b。可以以至少五个区域描述内部层72b，所述区域可以包括（从外直径朝向内直径运动）直接邻近预制件外直径表面30a的第一周边区域104a、第一复合物直径区域24a、中央区域26、第二复合物直径区域24b和直接邻近预制件内直径表面30b的第二周边区域104b。如图所示，内部层72b可以被针刺（42）以限定第一周边区域104a和第二周边区域104b中的第一NFND，该第一NFND可以与第一外部层70a的第一NFND实质上相同。内部层72b也可以被针刺以限定第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b中的第二NFND，以及中央区域26中的第三NFND。在一些示例中，第二NFND和第三NFND二者均可以大于第一NFND（例如，如关于图4-5所描述的）。在一些示例中，第二NFND可以大于第三NFND（例如，如关于图5C所描述的那样）。

可以使用任意合适的技术执行中间层叠200b的针刺（42）。在一些示例中，可以使用被构造成限定上文所描述的在相应区域中的期望NFND的针板执行内部层72b的针刺以形成中间层叠200b。在一些这样的示例中，针板可以包括选择性地分布在针板上以形成期望的NFND的多个针。例如，可以将针不一致地分布于针板上以在期望更高的NFND的区域（例如第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b和/或中央区域26）中包括针的更大集中度。额外地或者替代性地，针板可以包括具有倒钩的多个针，其中每个针的倒钩数量选择性地变化以如上文所描述地在相应区域中产生期望的NFND。例如，相比于期望更低的NFND的区域中的针，在期望更高的NFND的区域（例如，第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b和/或中央区域26）中的针可以每针包括更大数量的倒钩。相对于带有更低倒钩比的针板的部分，在这样的区域中更高的倒钩比可以增加在这些区域中产生的针刺纤维20的数量以增加NFND。在一些示例中，被用以将内部层72b针刺到初始层叠200a的针板可以是不同于用以形成初始层叠200a的针板的板。在一些示例中，在针刺内部层72b的期间，针刺纤维20可以被针刺通过内部层72a和/或第一外部层70a的至少一部分，以将内部层72b结合于初始层叠200a。

图7C示出第三针刺过程，其中一个或多个内部层72c和第二外部层70b在与第一外部层70a相对的一侧上被堆叠（40）和针刺（42）于中间层叠200b以产生预制件210。由于完整的针刺过程，预制件210可以包括外部区域212和核芯区域214。外部区域212可以包括至少内部层72a、72b和72c的第一周边区域104a，并且可选地包括第一外部层70a、第二外部层70b和内部层72a、72b和72c的第二周边区域104b。核芯区域214可以包括内部部分内部层72a、72b和72c，其可以进一步关于包括第一复合物直径区域24a和第二复合物直径区域24b以及中央区域26的三个或更多个区域来描述。在一些示例中，可以以类似于用以形成初始层叠200a的技术来执行第二外部层70b的针刺（42）。在一些示例中，相比于核芯区域214内的NFND，第二外部层70b中的NFND可以相对高。在一些示例中，第二外部层70b可以包括贯穿整个层70b相对一致（例如，一致或者几乎一致）的NFND，其可以与第一外部层70a以及第一周边区域104a和第二周边区域104b中的NFND实质上相同（例如，相同或者几乎相同）。在一些示例中，被用以针刺第二外部层70b的针板可以与用以针刺第一外部层70a的针板相同。

在一些示例中，层70a、70b、72a、72b和72c的堆叠（40）和针刺（42）以形成预制件210可以沿通过预制件210的一个或多个方向形成一个或多个NFND梯度或等级，使得NFND从预制件210的外表面朝向中心（例如，核芯区域214的中心）增加。

在一些示例中，可以作为最终步骤（42）在相应区段被针刺在一起的情况下将层叠16的层12在区段中被针刺一起，以形成在相应区域内带有期望NFND的预制件10。例如，层70a和72a可以被初始地针刺在一起以形成初始层叠200a（例如，区段92a）。类似地，层70b和72c可以被针刺在一起以形成与初始层叠200a实质上相似的第二初始层叠（例如，区段92b）。可以将由内部层72b制成的内部区段堆叠并针刺一起（例如区段92c）。这三个区段92a、92b和92c可以被堆叠成区段92c处于区段92a和92b之间并且被针刺在一起以形成预制件210。在一些这样的示例中，可以在独立区段92a、92b和92c的初始针刺期间、在后续针刺以将区段92a、92b和92c连结到彼此期间或者二者的组合期间形成预制件10的各种区域内期望NFND的针刺纤维20。在一些这样的示例中，独立地形成区段92a、92b和92c可以帮助确保针刺纤维20穿过预制件210的厚度上的相对对称的分布（例如，平行于中央轴线的预制件210的主要表面之间的对称分布）。

图6的示例技术也包括可选地将通过堆叠（40）和针刺（42）层12产生的预制件10致密化（44）以形成C-C复合物基底。在一些示例中，可以通过应用含碳气体的一个或多个CVI/CVD周期将预制件致密化。在CVI/CVD加工期间可以使用任意合适的含碳气体，包括例如碳基气体，诸如天然气、甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、丙烯或乙炔或者这些气体中至少两种的组合。在一些示例中，致密化步骤（44）可以产生具有在大约1.65和大约1.95 g/cc之间的最终密度的致密化C-C复合物基底。

在一些示例中，应用含碳气体以经由CVI/CVD致密化预制件10可以实质上在真空空间（例如，带有小于100 Torr的内部环境的容器）或者在惰性气体环境下发生以便控制化学沉积反应。在一些示例中，在应用CVI/CVD气体期间，包括预制件10的环境可以被加热到升高的温度，例如在大约900℃和大约1200℃之间，以促进化学沉积反应。

在其它示例中，可以使用其它合适的技术将预制件10致密化（44），所述技术包括例如经由树脂传递模塑（RTM）加工、真空压力渗透（VPI）加工、高压力渗透（HPI）等等的树脂渗透和碳化。

在一些示例中，在经历致密化周期（44）之前，预制件10可以经受初始碳化周期以将纤维14和/或针刺纤维20转化成碳。例如，可以通过在惰性或还原条件下在炉罐（retort）中加热预制件10来碳化预制件10，以从纤维14和/或针刺纤维20去除非碳成分（氢、氮、氧等）。能够使用炉罐，如高压釜、炉、热等静压机、单轴热压机等等来进行碳化。在这些技术中的每种技术中，预制件10均可以在惰性气氛中在处于大约600℃至大约1000℃的范围中的温度下被加热，且同时可选地被机械压缩。机械压缩可以被用于限定预制件10的几何构造（例如，厚度（T））。在一些示例中，可以用氮气轻柔地吹扫炉罐近似1小时，然后将炉罐在近似10-20小时的过程中被缓慢地加热到大约900℃，继之以在近似1-2小时中将温度升高到大约1050℃。之后在允许被碳化的预制件整夜冷却之前，可以将炉罐保持在大约1050℃下近似3-6小时。在一些示例中，碳化步骤能够在甚至更高的温度（包括高达大约1800℃）下进行。

在一些示例中，在预制件10的致密化期间或之后，预制件10的主要表面可以被机加工以将所得的C-C复合基底塑造成期望的形状，诸如成品制动盘形状。例如，在致密化（44）之后，可以使用诸如CNC（计算机数字控制）机器的研磨设备部分地磨除第一主要表面和第二主要表面18中的一个或多个以获得期望的几何构造。例如，C-C复合物基底可以被磨成致密化的C-C复合物盘式制动器的形状，其具有最终厚度T（例如，大约1.4英寸）且具有平行的主要表面18（例如，摩擦表面）并且限定期望的内侧直径和外侧直径。

已经描述了各种示例。这些和其它示例落在以下权利要求的范围内。

Claims (3)

1. 一种用于制造碳-碳复合物的预制件，包括：

包括碳纤维或碳前体纤维的多个层，其中所述多个层沿中央轴线堆叠以形成层叠，其中所述多个层包括限定所述预制件的第一主要表面的第一外部层、限定与所述第一主要表面相对的所述预制件的第二主要表面的第二外部层以及布置在所述第一外部层和所述第二外部层之间的至少一个内部层，所述至少一个内部层具有周边区域，该周边区域形成所述预制件的外表面的一部分；以及

多个针刺纤维，其中所述多个针刺纤维中的至少一些针刺纤维延伸通过所述多个层中的两个或更多个层；

其中所述预制件具有外部区域和核芯区域，其中所述外部区域包括所述至少一个内部层的至少所述周边区域；

其中所述多个针刺纤维限定所述外部区域中的第一针刺纤维数密度（NFND）和所述核芯区域的至少一部分中的第二NFND，其中所述第二NFND大于所述第一NFND。

2.根据权利要求1所述的预制件，其中所述核芯区域包括形成从所述中央轴线测得的所述核芯区域的外直径的第一复合物直径区域、形成从所述中央轴线测得的所述核芯区域的内直径的第二复合物直径区域以及径向地处于所述第一复合物直径区域和所述第二复合物直径区域之间的中央区域，

其中所述多个针刺纤维限定所述第一复合物直径区域中的第三NFND、所述第二复合物直径区域中的第四NFND和所述中央区域中的第五NFND，

其中所述第三NFND、所述第四NFND或所述第五NFND中的至少一者大于所述第一NFND。

3. 一种方法，包括：

沿中央轴线堆叠包括碳纤维或碳前体纤维的多个层以形成层叠，其中所述多个层包括第一外部层、第二外部层和布置在所述第一外部层和所述第二外部层之间的至少一个内部层，其中所述至少一个内部层包括邻近所述层叠的外部表面的至少一个周边区域；以及

实质上平行于所述中央轴线针刺所述层叠以形成包括多个针刺纤维的预制件，其中所述多个针刺纤维中的至少一些针刺纤维延伸通过所述多个层中的两个或更多个层，

其中所述预制件包括核芯区域和外部区域，其中所述外部区域包括所述至少一个内部层的所述至少一个周边区域，其中所述外部区域至少部分地围绕所述核芯区域，其中所述多个针刺纤维限定所述外部区域中的第一针刺纤维数密度（NFND）和所述核芯区域中的第二NFND，并且其中所述第二NFND大于所述第一NFND。