CN114727882A - 非织造微格织物及其增强的复合材料或混杂复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了非织造织物，其包括三维纤维阵列。所述三维纤维阵列包括垂直于所述非织造织物的平面延伸并连接到基部基材的直立纤维阵列，其中所述基部基材是可消耗薄膜基材、金属基部基材或心轴基材中的一种或多种。此外，该三维纤维阵列包括多层平行于该非织造纤维平面的非织造平行纤维，该非织造平行纤维以所限定的纤维层取向图案排列在直立纤维阵列之间。

Description

非织造微格织物及其增强的复合材料或混杂复合材料

关于政府权利的声明

本发明的某些方面是在美国能源部授予的DE-SC0019912的美国政府的支持下完成的。因此，美国政府对本发明具有某些权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2019年9月25日提交的美国临时专利申请序列号No.62/905,598，发明名称为“非织造微格织物及其增强的复合材料或混杂复合材料”的优先权，其整体通过引用并入本文。

本申请还涉及以下专利申请，以下每个专利申请均以其整体通过引用并入本文：美国专利公开号为US 2018/0370860 A1，公开于2018年12月27日，发明名称为“FunctionalHigh-Performance Fiber Structure”(“功能性高性能纤维结构”)；美国专利号为No.10,047,015B2，授权日为2018年8月14日，发明名称为“High Strength Ceramic Fibers andMethods of Fabrication”(“高强度陶瓷纤维及其制造方法”)和PCT公开号为WO 2013/180764A1，其公开于2013年12月5日，发明名称为“High Strength Ceramic Fibers andMethods of Fabrication”(“高强度陶瓷纤维和制造方法”)；美国专利号No.10,546,661，其授权日为2020年1月28日，发明名称为“Additive Manufacturing Technology forPlacing Nuclear Reactor Fuel Within Fibers”(“用于核反应堆燃料的加工和特征描述的增材制造技术”)；PCT公开号为WO 2015/200257 A1，其公开日为2015年12月30日，发明名称为“An Additive Manufacturing Technology for the Fabrication andCharacterization of Nuclear Reactor Fuel”(“用于核反应堆燃料的加工和特征描述的增材制造技术”)；美国专利公开号为No.2017/0331022A1，其公开日为2017年11月16日，发明名称为“Multilayer Functional Fiber and Method of Making”(“多层功能纤维及其制造方法”)；PCT公开号为WO 2017/197105 A1，其公开日为2017年11月16日，发明名称为“Multilayer Functional Fiber and Method of Making”(“多层功能纤维及其制造方法”)；美国专利公开号No.2017/326838 A1，其公开日为2017年11月16日，发明名称为“Fiber Delivery Assembly and Method of Making”(纤维递送组件及其制造方法“)；和PCT公开号为WO 2017/197082 A1，其公开日为2017年11月16日，发明名称为“FiberDelivery Assembly and Method of Making”(纤维递送组件及其制造方法“)。

背景技术

本发明总体上涉及纤维形式的原材料、用于增强材料的纤维领域，更具体地涉及用于提供特定功能的打印纤维阵列领域，例如，3-D增强、金属、碳、陶瓷或其复合材料的整体连接、传感、驱动、能量吸收、能量存储、坚固织物和/或其组合。

发明内容

如本文所述，可以使用激光诱导化学气相沉积(LCVD)工艺在基材上打印纤维，所述基材不需要是平坦的，并且其本身可以由根据本发明制造的预先制造的纤维结构组成。这些纤维可用于许多应用，包括但不限于3-D增强、传感、驱动、能量吸收、能量存储、坚固织物和/或其组合。由于LCVD的增材制造工艺，可以在工艺中的任何点改变纤维的材料。因此，有机会改进生长在基材上的纤维，改变使用的材料，为纤维创造新的结构和目的，以及通过共享纤维结构连接不同的材料。

更具体地说，编织(weaving)、织造(braiding)和编结(knitting)在织物制品的构造中起着非常重要的作用。然而，当纤维如陶瓷纤维具有磨蚀性和刚性时，编织过程就变得极其有害。编织过程中对纤维造成的损伤可能会导致织物的强度降低一个数量级或更多。此外，当纤维由磨蚀性材料或硬质材料(例如碳化硅)制成时，纤维之间的任何相对运动(例如在织物弯曲过程中产生的相对运动)将导致织物的快速磨损。

厚织物在复合材料的制造中特别有吸引力，因为它们提高了生产率。然而，当覆盖较厚的层时，层之间的区域受到与层厚度成比例的剪切应力，导致称为“分层”的公知失效模式。

三维编织对于增强穿过多个纤维层的载荷传递是特别理想的，然而对于3-D编织所必需的高度弯曲的变形对纤维具有极大的损害。

有时用于增强多层织物之间的载荷传递的替代方案被称为纵向加强技术(Z-Pinning)，其中将粗纤维或针状结构强制缝合在需要被连接的所有层上。该方法增强了抗分层的能力，但代价是对构成织物造成更多的损害。

在一个方面，本发明通过提供完全三维的织物解决了这些缺点，其中纤维不是编织的，而形成不需要彼此交错或交织的纤维的3-D网络，因此保持纤维强度。这该三维网络中的纤维在内编织载荷下不会相互挤压。纤维可在它们之间保持间隙。

一方面根据本发明的原理，提供了一种短纤维阵列，其厚度等于或大于织物的厚度，形成非常高密度Z-pinning的功能等同物。

沿织物平面延伸的每层纤维可以是例如恰好有一层纤维层厚，这是一层织物中最薄的一层。

垂直于织物延伸的直立或短纤维阵列可以从可消耗材料(如玻璃)的薄层上生长、从诸如钽箔的旨在成为织物的一部分的层上生长或直接从心轴(如翼或管)上生长，以直接形成成品CMC壳。

这种新颖的纤维结构类似于微尺度的格子结构。这种产品在使用硬纤维或磨蚀性纤维时具有多种优势。

由于纤维强度得到很好的保持，因此复合材料在给定强度要求下需要较少的纤维，导致较轻的复合材料。

由于可以使复合材料外壳更薄，因此提高了它们在整个厚度上的热导率。

通过适当选择垂直于织物延伸的直立纤维阵列的组成材料，可以进一步提高热导率。

由于纤维之间保持间隙，因此织物的耐磨性得到提高。

垂直于织物延伸的直立纤维阵列提供的非常高密度的Z-Pinning提供了从一层织物到另一层织物的有效载荷传递，从而增强了抗分层能力。

由于织物平面中的每层纤维具有最小厚度，因此层间剪切应力也最小。

在一个方面，将直立纤维阵列固定到基材中提供了将诸如金属、碳或陶瓷的不同材料粘合到陶瓷基质复合材料的创新手段，尽管这基本上是“微铆钉”(micro-rivets)的高密度阵列。

总之，在一个方面，本发明包括由纤维的三维阵列组成的非织造织物，其中所述织物的至少一部分包括垂直于所述织物的平面延伸并且连接到可消耗薄膜、金属箔或心轴基材上的直立纤维的正方形或六边形阵列；以及非织造平行纤维层，所述非织造平行纤维层在所述织物的平面中以0-90或0-60-120取向在所述直立纤维之间延伸。

直立纤维阵列可包含选自硼、碳、铝、硅、钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铀、钍、钚、氮、氧及其组合的普通固体材料。

平行于织物的平面延伸的纤维阵列可包含选自硼、碳、铝、硅、钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铀、钍、钚、氮、氧及其组合的普通固体材料。

织物内的纤维方向、所述织物内的每一层以及垂直于织物的直立纤维阵列均可以是不同的构成材料。

在一个实施方式中，本发明包括复合材料结构，其中用本文描述的非织造纤维结构增强由选自硼、碳、铝、硅、钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铀、钍、钚、氮、氧及其组合的普通固体材料组成的基质。在非织造织物表面垂直延伸的直立纤维阵列可以固定在金属箔中，从而与金属基材形成混杂复合材料。

在另一方面，本发明包括三维织物，其具有彼此不交错或交织的纤维阵列，因此保持纤维强度，包括延伸织物厚度或更厚的直立纤维阵列，和(i)从可消耗材料(如玻璃或碳)的薄层上生长，或(ii)从旨在成为织物一部分的层(如钽箔)生长，或(iii)直接从心轴(如翼或管)生长，以直接形成整体连接到所述心轴的成品CMC壳；和在所述直立纤维之间沿织物的平面延伸的至少一层平行纤维。在一个实施方式中，在织物的平面中延伸的至少一层纤维是一个纤维层厚。

在另一个方面，本发明包含具有突出的直立纤维林(standing fiber forests)的陶瓷基质复合材料或碳-碳复合材料，以便提供对渗透或沉积的金属基部的连接。

在另一方面，微传感器可以嵌入到织物中和/或作为织物的一部分组装，以形成织物功能的组成部分。传感器的功能层可以包含导电层，该导电层在一端连接到由绝缘层隔开的第二不同导电层，以根据塞贝克效应形成热电偶对。根据塞贝克效应和汤普森效应，多对热电偶对可以串联形成热电堆。

根据本发明的一个或多个方面，本文公开的织物可以通过本文公开的任何方法形成。

通过本文描述的技术实现了其他特征和优点。本文详细描述了本发明的其他实施方式和方面，并将其视为所要求保护的方面的一部分。

附图说明

当参考附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面和优点，在所有附图中，相同的标识表示相同的部件，其中：

图1是喷丝头的示意图，板具有小孔图案，液体原丝供应穿过小孔并且一旦离开，涌流的图案凝胶成称为“原纤维”的细丝；

图2是用于形成单丝纤维的示例性方法的示意图；

图3为示出根据本发明的纤维LCVD如何由激光束的增殖被大规模地平行化的示意图；

图4示出了根据本发明使用包括64个单独控制的激光发射器的模块的碳纤维的平行LCVD生长；

图5示出了核反应堆的示例性布局，大致示出了核反应堆运行中核燃料结构的使用；

图6A-6B描述了包括多个核燃料棒结构和控制棒结构的示例结构，示出了用于封装和存储核燃料结构的一种可能的结构；

图7示出了根据本发明的一个或多个方面的单个燃料纤维的样品横截面；

图8示出了根据本发明的一个或多个方面的用于形成纤维的矩形阵列的工艺；

图9A示出了根据本发明的一个或多个方面的示例性纤维结构；

图9B示出了根据本发明的一个或多个方面的在基材上沿多个方向生长的纤维的示例；

图10示出了根据本发明的一个或多个方面的根据图8的方面的纤维结构，其中在生长的纤维之间添加了纤维或带状物。

图11A示出了根据本发明的一个或多个方面的纤维的六边形阵列；

图11B示出了根据本发明的一个或多个方面的根据图11A的方面的纤维结构，其中在生长的纤维之间添加了纤维或带状物；

图11C示出了根据图11B的方面的纤维结构，其中添加了嵌入基质；

图12是SiCf-SiCf-SiCm CMC金属断面的显微镜观察图；

图13A-13B分别示出了三层包壳的区段和三重结构的横截面，显示了在用于容纳燃料芯块的整体SiC管上的复合编织物，并且设计了外阻隔涂层以防止或延迟PWR腐蚀；

图14示出了用于事故容错包壳的CEA的SiCf-SiCm CMC/Ta/SiCf-SiCm CMC夹层结构；

图15是SiCf-SiCm CMC包壳横截面的SEM图像，示出了内编织(P)和丝束内(Q)空隙；

图16描述了根据本发明的一个或多个方面的长圆柱形心轴，其上沉积了具有正方形格子螺旋图案的纤维林，其中插图示出了纤维林的放大视图；

图17A是根据本发明的一个或多个方面的具有八个50根丝带的四层的最后一层被正方形图案纤维豪猪状(porcupine)/森林状围绕缠绕时的断开视图，其中所得叠层(中心)的插图放大径向视图，缠绕的边缘视图参见图18；

图17B是根据本发明的一个或多个方面的从图17A得到的μ格子的径向截面，其示出了具有4层带状缠绕的纤维林；

图18A示出了根据本发明的一个或多个方面的图17A沿着心轴的螺旋缠绕；

图18B示出了根据本发明的一个或多个方面的在正方形图案纤维林上螺旋缠绕50根丝带的动力模拟实例的透视图；

图19示出了根据本发明的一个或多个方面的激光打印的SiC纤维(64丝支数-22μm)的条带包装，所述条带包装以美国便士为量度收集在热释放带(例如，Nitto-Denko，日本)上，其中顶部插图是矩形细节的放大图，其示出了打印时平行连续SiC丝的带；

图20A-20C是根据本发明的一个或多个方面分别在玻璃碳基材上增加放大倍数的SiC纤维林的大阵列的SEM图像；

图21示出了根据本发明的一个或多个方面的生长在HNS丝束(tow)SiC织物上的SiC纤维林；

图22A-22C示出了根据本发明的一个或多个方面的正方形纤维格子结构构造，其包括(A)具有相同纤维直径和间距的正方形布局所需的纤维林支架的俯视图，(B)对应平面内纤维叠层(绿色)的俯视图，以及(C)15层正方形叠层(垂直于纤维轴线的相同纤维横截面)的边缘视图；

图23A-23C示出了根据本发明的一个或多个方面的六边形纤维格子结构构造，其包括(A)具有相同纤维直径和间距的六边形布局所需的纤维林支架的俯视图，(B)对应平面内纤维叠层(绿色)的俯视图，以及(C)18层六边形叠层(垂直于纤维轴线的相同纤维横截面)的边缘视图；

图24A-24B分别示出了根据本发明的一个或多个方面的由图22A-23C的正方形和六边形结构形成的μ格子织物；

图25A示出了根据本发明的一个或多个方面的微嵌入式高温W-Re热电堆的变形截面图；

图25B是根据本发明的一个或多个方面的图25A的热电堆的透视图，其中为了清楚起见，移除了类似的变形和外部2.5μm的嵌入：

图26A描绘了根据本发明的一个或多个方面的从锆基材上生长的碳化硅直立纤维的正方形阵列；

图26B是根据本发明的一个或多个方面的图26A结构的正方形格子微格的俯视图，其中碳化硅纤维在纤维层中以0-90度取向延伸；

图26C是根据本发明的一个或多个方面的图26B结构的剖视图，通过一排直立纤维显示，并示出注入到锆金属中；

图27示出了根据本发明的一个或多个方面的两种形式的外部相同的陶瓷基质组件，一种用正方形格子微格增强，另一种用六边形格子增强；

图28是根据本发明的一个或多个方面的从用于金属渗透的陶瓷基质复合材料或碳-碳复合材料中突出的六边形阵列纤维林样品；以及

图29示出了根据本发明的一个或多个方面的类似于图17的混杂复合材料的端视图，但是在陶瓷基质复合材料外壳和心轴之间留有间隙，心轴和陶瓷基质复合材料通过从心轴突出的径向尖刺(spikes)固定在一起。

具体实施方式

下面将参考附图中所示的非限制性示例更全面地解释本发明的各个方面及其某些特征、优点和细节。省略了对公知***、装置、制造和处理技术等的描述，以避免不必要地模糊本发明的细节。然而，应当理解，在指示本发明的方面的同时，给出的详细描述和具体实例仅作为说明，而非限制。对于本领域技术人员来说，根据本公开内容，在基本发明构思的精神和/或范围内的各种替换，修改，添加和/或布置将是明显的。还要注意，本文公开了许多创造性方面和特征，并且除非不一致，否则每个公开的方面或特征可与本文所述的特定应用所需的任何其他公开的方面或特征组合。

来自于增材制造(‘AM’)、微机电***(‘MEMS’)设计和纳米制造以及陶瓷基质复合材料(‘CMCs’)的交叉前沿的启发，本发明基于新颖制造范例。

在进一步描述上述方面之前，提供了有助于以下描述的一些定义。

增材制造(‘AM’)通常是指通过增值(incretion)或增量(accretion)来构建材料对象的行为。

增值通常在生物构建体中很常见，其中基本构建材料以细胞的形式出现，所述细胞是由构建体本身产生、运输和沉积在适当位置。通过增值构建的物质对象的实例包括指甲、头发、骨骼、壳状物、植物、肌肉等。增值是生物体生长和维持的自然特征，并且似乎不具有任何明显的技术等同物。

增量是指在基材上添加构成材料的过程，并且其在自然和技术结构中都有发现。增量的实例包括自然地质构造(如沙丘、冲积平原、钟乳石和石笋)、建筑结构(如金字塔或现代建筑)或技术制品(如车辆)。在所有情况下，由增量产生的物质对象都是构成元素连接的结果。在冲积平原的情况下，它可以是由自然水流输送和沉积的巨石、岩石和冲积物。在沙丘的情况下，构成元素是由气流输送和沉积的沙粒。在钟乳石和石笋的情况下，构成元素是从溶液中出来并累积的分子元素。类似于金字塔这样的建筑结构是由切割开采的石头的增量，而现代建筑是由梁、壳、块的增量，它们通过如混凝土这样的紧固件或粘结剂固定在一起。许多技术对象(如车辆)是由从普通库存中切出或形成的部件或其组装的部件的集合体构成。

增材制造是通常在计算机控制下，将通用成分结合在一起以形成所需物质对象的增量的技术实现。通用成分可以是元素分子、点状元素(如粉末)、线状元素(如纤维)、细丝和挤出糊料、表面状元素(如胶带和薄片)或体积状元素(如砖)的形式。由元素分子进行的增材制造工艺的实例包括用于生产微电子产品的化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)。许多增材制造工艺从粉末的扁平层开始，其中单独的颗粒有选择地结合在一起并结合到下面的层以形成正在构造的物体的增量截面层。细丝缠绕和熔融沉积模型是增材制造工艺的实例，其中引入作为线状元素的构成材料。带叠层和层压物体制造是增材制造工艺的实例，其中引入作为片状元素的构成元素。

需要注意的是，当增材制造工艺在层中构建材料对象时，那些层不需要是平坦的。然而，当它们是平坦的情况下，该技术通常被称为“3-D打印”，类似于在纸张上的2-D打印。

如本文某些实施方式中所公开的，增材制造可对核燃料设计和许多其他复合结构产生重大影响，其中增加的功能性可成为构建纤维的一部分。这对于在没有AM的极大灵活性的情况下不可能想到的破坏性的先进燃料概念(AFC)来说尤其如此。与标准的UO₂-Zr***相比，对于表现出增强的事故耐受性、增加的效率和更小的环境足迹的特定燃料，在设计方法上存在机会。本发明实施方式所基于的基本AM技术被称为激光诱导化学气相沉积(LCVD)。

绝大多数先前的增材制造工艺强烈依赖于建筑材料的特性。例如，通过使粉末局部熔融来连接粉末需要精确了解熔点并精确控制堆积过程中的局部温度。很少有增材制造工艺能不依赖于材料性能而起作用，那些做到的被称为“材料不可知”。

LCVD由于其接近材料独立性而在本文所公开的实施方式中用作基本AM工具，这对于AM工艺来说是极其罕见的特性。LCVD是CVD的一种衍生技术，广泛应用于微电子制造行业(又称“芯片制造”)。CVD从气体前体形成电子级的高纯度固体沉积物。在其75年以上的历史中，芯片制造积累了用于广泛的材料的化学前体的令人印象深刻的库，数以万计的数量中，包括裂变材料前体(如UF₆)。CVD和LCVD之间的主要区别在于维数和质量流量。CVD用于2-D薄膜生长，而LCVD理想地适用于一维丝状结构。维数的差异意味着LCVD与CVD相比沉积机制大大增强，导致沉积质量流量(kg/m²s)增加了3-9个数量级。例如，已测量类金刚石碳丝的线性生长速率超过13cm/s，与相同材料的薄膜CVD相比，质量流量增加了9个数量级。最后，与现有的燃料制造相比，LCVD基本上是无容器的，这实际上消除了容器或工具对材料污染的机会。因此，根据本文公开的实施方式，下面进一步描述的LCVD和1

D打印允许严格控制纤维的材料。此外，由于激光焦点的改变和无容器生长，纤维的材料能够原位改变或完全改变为新的材料***，即在纤维生长期间，允许纤维的材料体系几乎瞬时改变。以下将进一步描述材料不可知生长的益处。

本发明的许多应用，包括核应用，通过材料不可知的AM处理得到增强；例如，以材料不可知的方式处理核燃料和核反应堆级材料的能力。

如本文所述，在一个或多个实施方式中描述了新的设计空间，从中制造可以作为基于公理化的科学出现。在一些实施方式中，在基材上打印纤维的能力，以及在另一些实施方式中同时在阵列中打印许多纤维的能力，描述了形式上定义为“1

-D打印”AM(类比于3-D打印)的基本特性。

为了实现1

-D打印，选择激光诱导化学气相沉积(LCVD)作为基本的增材制造(AM)工具，因为其接近材料独立性-AM工艺的极罕见特性。这种方法被称为“材料不可知”。

为了本申请的目的，术语“1

-D打印”指的是表现出以下定义性能的AM方法：

1.材料不可知的细丝生长能力。

2.沿细丝长度改变直径和轴的能力。

3.材料不可知的沿细丝的长度改变组成的能力。

4.如上述美国专利No.10,546,661的图8和图11所示，该专利发明名称为“Additive Manufacturing Technology for Placing Nuclear Reactor Fuel WithinFibers”(“用于核反应堆燃料的加工和特征描述的增材制造技术”)，即用所需的材料、形态和厚度包覆细丝的特定部分的材料不可知的能力-称为“SPOT COATING(局部涂覆)”。

这四个公理特性构成了一组制造工具，其限定了全新范围的具有核材料能力的丝状结构，不构成对新的设计的限制，下面将讨论其中的几个实例。

例如，使用本文所述的实施方式，存在以一种或多种材料不可知的方法生长细丝的能力，这意味着根据本文所述的实施方式，纤维或细丝的一种材料或多种材料可以在化学计量上改变，或者在纤维或细丝的生长期间完全改变。例如，高性能纤维(HPFs)被提议用于许多专门应用中的扩展用途，例如军事和航空航天(涡轮机械、火箭、先进结构)、汽车、生物医学、能源和其他需要具有特殊强度、刚度、耐热性和/或耐化学性的先进材料的应用。当需要由现有的金属丝或碳、玻璃、植物或矿物纤维无法满足的极端材料性质的组合时，可以寻求HPFs。HPF复合材料***通常包括分布在“基质”中的多个涂覆纤维。

在当前的大多数情况下，都是通过使得液体原丝(precursor)穿过喷丝头来实现纤维的形成。例如，图1是喷丝头的示意图，板具有小孔图案，液体原丝供应穿过小孔。一旦离开，液流图案凝胶成称为“原纤维”的细丝。然而，该现有技术假定纤维材料可以液体、凝胶或塑料形式离开，使其自身流过小的开口。在许多情况下，特别是对于耐火材料，这种液态或接近液态不存在。因此，本发明人已经推断出当喷丝头与纤维材料性质不相容时的一种更好的方法，该方法包括从围绕液体原丝周围产生纤维的地方激光聚焦提取出纤维，而这使用图1的喷丝头是不可能的。激光聚焦在纤维尖端，由此使得加热纤维到原丝解离并且发生化学气相沉积(CVD)的温度。纤维在长度上生长，并且以生长速度被拉出反应区，导致产生了任意长度的单丝纤维。根据本发明实施方式的该加工技术由图2示出。图2示出了典型方法，包括如下：反应器10；反应器腔20的放大剖视图；生长区30的放大视图。自播种纤维50朝向接近的同轴激光器60生长，并且通过挤压微管40被抽取。CVD原丝从挤压微管被注入到反应区内，在反应区周围形成小的高浓度热柱，该反应区供料并且对流地提高了生长。该热柱被嵌入在同轴流动的惰性气体中，该惰性气体防护了该反应并且携带走了稀释的副产品。该反应器设计建立在对于激光诱导化学气相沉积(LCVD)纤维生长的理解上。它提供了独特且有价值的材料科学研究室，适合于专业细丝的快速实验发展。但是，它可能不适合于大规模制造。

因为在微电子学制造工业中，其中要使用光学(光刻技术)的方法大规模地复制特征，所以本文中提出了纤维生长的大规模复制。用于纤维生长的纯光学平行化是大规模生产纤维的一种方法。例如，可以进行图2示出的加工技术的平行化。

然而，在寻求大规模生产的目的时，图2方法的有些特征应该被保护，例如：

·特征1-对流增强的高压原丝流，其已经被示出用于使得单纤维生长最优化。

·特征2-对副产品在特定波长下(例如，在656nm波长下氢)成像，其提供了纤维生长的直接可观察性并且已经被用于加工控制。

·特征3和4分别是-无容器和材料不可知-其形成了能够处理宽范围材料的平台技术的基础。

在一个实施方式中，本发明使用了大规模排列的独立控制的激光器，使得平行的等大排列的纤维80生长，如图3所示，示出了通过使得激光束80增殖诱导每条纤维80的尖端周围的等离子体90，纤维LCVD如何能够从细丝格子100大规模地平行配置。在本发明的实施方式中，纤维80的大阵列可以指向基材，直接在基材上以大阵列生长直立纤维，并控制激光器尖端处的环境以控制纤维的材料***，并改变材料***。

使用用于LCVD的计算机直接制版(CtP)(例如，量子阱混合(QWI))激光器阵列是科学上最先的，并且使用浅聚焦深度也是如此。它提供了非常有益的结果。如图4所示的样品碳纤维平行生长。图4示出了使用具有多个激光器(例如64个或更多)的单元的碳纤维的平行LCVD生长。左侧：在生长期间的纤维。右侧：直径为10-12μm并且长度约5mm的最终的自由直立纤维。

在所有的之前的情况下，光束都聚焦到具有长瑞利范围的衍射受限点上。根据本发明，不仅焦点密度足够支持CVD，而且浅的景深意味着纤维只能在成像平面的前部和后部的小的区域内生长。这违反了其中长景深有利于使得生长区最大化的在LCVD中通常可接受的实践。浅景深的益处因为它能支持的控制程度是重要的。例如，如果一条纤维由于任何原因停止生长，那么焦点可能移动回到纤维尖端。所有其它的生长都会停止，然后重新开始，因为落后的纤维被拉动回到与其它的同一水平上。

图4示出了根据本发明一些实施方式的浅焦深的效果。结合了长焦深的衍射受限的光学装置，不均匀的焦点到焦点的能量分布的衍射光栅防止在之前的纤维阵列中在生长位置上的向前的任何控制。主要益处在图4中显而易见：纤维生长一致，并且生长到同一高度。这是在衍射受限光学装置上的光源成像的意外益处，因为焦深比等同的衍射受限焦点的瑞利范围浅5到30倍(分别为垂直的和水平的)。这证明是巨大的益处，因为纤维在焦点内部和外部快速地生长。这使得能够跟踪纤维生长，并且甚至能够返回重新找到停止生长的纤维，不需要影响到任何其它已经生长的纤维。CtP激光棒的该独特特征被期待在控制纤维阵列的进一步平行LCVD生长方面具有显著的好处。

根据本发明的一个或多个实施方式的纤维结构的纤维的另一个优点是能够沿细丝或纤维的长度改变直径的能力，类似于美国专利号No.10,546,661号中公开的方法(其通过引用整体并入本文)。例如，参考所述材料的核应用，可以更好地理解沿纤维长度改变直径的优点。

例如，转到图5，其示出了作为核电站的一部分的示例核反应堆500的简化示意图。图5所示的核反应堆500包括装入反应堆护罩510内的反应堆容器505，该反应堆护罩510可由混凝土或其它能够承受高温的材料制成，从而在发生事故时可容纳反应堆护罩510内的材料。反应堆容器505包括堆芯520，核燃料棒530和控制棒540设置在堆芯520中。反应堆容器505还容纳冷却剂材料550，例如水或重水，其可以通过冷却剂入口555吸入反应器505。燃料棒530包括核燃料材料，通常为二氧化铀燃料囊，其封装在金属合金燃料棒外壳或包壳中，例如锆合金金属外壳。(许多核燃料棒使用以商标名Zircaloy制造的锆合金包壳材料。)核燃料材料被中子轰击，中子可以在核燃料中引发裂变反应；该反应***核燃料材料的核，释放热能和随后继续裂变反应的另外的中子。热能加热冷却剂560，其然后可以经由冷却剂出口565泵出反应堆容器505；加热的冷却剂560可用于例如产生蒸汽以驱动涡轮机，该涡轮机又产生电能(为简单起见在图5中未示出)。堆芯520可以由一种或多种能够将中子减速到中子更可能与核燃料材料的核反应的速度的减速剂材料例如石墨制成。冷却剂材料550还可以作为减速剂材料以减慢撞击燃料棒530的高速中子。控制棒540可用于可变地控制燃料棒530中的核燃料材料的裂变速率。控制棒540可以由一种或多种能够吸收中子而不经历裂变反应的材料制成，例如硼，银，镉和/或铟。当控制棒540部分地或全部地从反应堆容器505拉出时，更多的中子可以成功地轰击燃料棒530中的核燃料材料并与之反应，从而增加能量输出；相反地，通过将棒进一步或完全***反应堆容器505中，可以吸收更多的中子并且减慢核裂变反应以减少能量产生。在一些核反应堆中，完全***控制棒540可用于完全停止燃料棒530中的裂变反应。

图6A和6B示出了可设置在核反应堆中核燃料组件600的示例。通常，如图5所示，核燃料棒630和控制棒640，不是单独设置在核反应堆中，而是更经常地设置在核燃料组件例如核燃料组件600中。核燃料棒610可以与穿插在核燃料棒610之间的控制棒620一起排列，并且核燃料棒610和控制棒620都由一个或多个间隔物630结合。整个核燃料组件600可以设置在核反应堆容器内，例如图5的反应堆容器505。使得核燃料组件被减速剂材料(如堆芯520)包围，并且冷却剂550可以围绕燃料棒610和控制棒620流动。如图6B所示，控制棒620可与反应堆容器内或外的控制器耦合，从而控制棒620可以可变地抽出或进一步***核燃料组件600中。

再次参考图5，可以注意到，冷却剂550可以在核反应堆500内用于数个目的。由裂变反应产生的热量加热的冷却剂560从燃料棒530和堆芯520带走热量，并且冷却剂560的热能可以被转换成电能。同样，冷却剂550，560可以作为减速剂以将中子减速到它们更可能成功地与核燃料材料反应的速度。在冷却剂丧失事故(LOCA)中，冷却剂水平可能在反应堆容器505内下降，使得热能不再被充分地传送出反应堆，从而允许热量在反应堆内积聚并且潜在地损坏燃料棒530，包括外壳材料。虽然冷却剂的损失也可以代表减速剂材料的损失，并因此导致核燃料材料中的裂变反应的减慢，但是由于放射性核燃料材料以及裂变反应的放射性副产物继续将热能辐射到反应堆中，所以热仍然可以在反应堆容器中快速地积聚。三里岛核事故和福岛核事故都以冷却剂丧失事故作为开始，导致锆合金包壳的熔化和高度放热氧化，产生大量的氢气并导致进一步的热积累和随后的堆芯熔化。一旦燃料棒的包壳在熔化中被破坏或破裂，放射性核燃料及其放射性裂变副产物可能暴露并与熔化产生的其它气体混合，从而允许放射性物质逸出到周围环境中。

利用任何上述实施方式，可以使用LCVD在基材上生长纤维。事实上，纤维也不必是连续的。具有类似于图7所示内部结构的短复合纤维的大块阵列可以通过使用根据以上详述的实施方式的反应器在基部晶片上平行沉积而得到。在一些实施方式中，可以同时打印如图7所示的纤维的纤维阵列，以便在一些情况下直接模型化可在燃料芯块中实现的这些纤维的阵列。

因此，本文公开了一种用于制造纤维结构的方法。由于本文所述方法的材料不可知能力，该方法可包括提供基材，该基材可包括耐火材料或典型的晶片型基材，以及根据以下方面预先形成为基材的纤维结构。根据以上或以下描述的实施方式中的任一个，多个纤维可以生长在基材上。利用LCVD和/或1

D打印，诸如锕系元素的材料可以生长为纤维，这在以前是不可能的。在一些实施方式中，纤维可包括选自以下所组成的组的第一材料：铍、硼、碳、钠、镁、铝、硅、钾、钙、钪、钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍、铜、锌、镓、砷、硒、铷、锶、钇、锆、铌、钼、钌、铑、钯、银、镉、铟、锡、锑、碲、铯、钡、镧、铈、镨、钕、钷、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铱、铂、金、铊、铅、铋、钋、钫、镭、锕、钍、镤、铀、镎、钚、镅、锔、锫、锎、锿、镄、氮、氧、氟、硫、氯、碘、汞及其组合。所述纤维中的至少一种可包括一氮化铀(UN)。此外，所述纤维中的至少一种可包括二硅化三铀(U₃Si₂)。本领域技术人员应当清楚，所述多个纤维可以包括一种材料的至少第一组纤维和第二种材料的至少第二组纤维。这些纤维可以排列成阵列，形成纤维结构或其一部分。纤维之间的间距是这样的，即相邻纤维在沉积过程中不会遮挡激光。它可以是从纤维直径的两倍到纤维长度的范围，例如高达纤维直径的大约100倍，其中每个纤维具有大约相同的直径，或者其中每个纤维组内的每个纤维组具有大约相同的直径。在一些实施方式中，直径可以跨纤维组变化。在一些实施方式中，可以在纤维上形成层，该层包括从同一组中选择的第二材料，但具有与第一材料不同的组成。可以提供包围纤维结构的纤维的基质材料。在此之前或之后，利用LCVD可以在纤维上生长不同的材料，部分原因是该过程的材料不可知能力。

图7示出了一种这样的纤维，其通过包括生长纤维结构，在一些实施方式中，生长所述纤维的阵列的方法的实施方式产生。本文公开的方法可构成燃料芯块制造的方法，其可结合到燃料电池中，非常类似于集成微电子中的改进。图7的纤维示出了其上生长有基础纤维702的基材701。基础纤维702可以将生长在其上的纤维与基材分离，为纤维提供绝缘结构。纤维703生长在基础纤维702上。在一些实施方式中，纤维703可包括第一短纤维704，在第一短纤维704上的长纤维705和在长纤维705上的第二短纤维706。由于材料不可知能力，这些生长元素中的每一个可以包括不同的材料组成、不同的尺寸或其组合。另外，每个纤维结构能够包括如以上实施方式中所述的多层纤维，并且能够包括在一些或所有元件中，或跨阵列中的一些或所有纤维的嵌入式传感器和/或致动器。沉积在纤维703周围的是涂层707，在一些实施方式中，在涂层707周围是保护涂层708。根据一些实施方式，围绕纤维703和基础纤维702是基质709。应当清楚，图7的纤维是一组纤维中的一种，其可以形成包括这种纤维的纤维结构的阵列。所示的纤维没有按比例绘制，因为其高度可以与燃料芯块厚度大致相同(在一些实施方式中通常为1-2cm)。

图8示出了根据一些实施方式的在例如圆形晶片的正方形子截面上的处理步骤的方法，该圆形晶片的直径大致与芯块的直径匹配(在一些实施方式中，其可以包括10-15mm的直径)。为了清楚起见，根据一些实施方式，如所示的垂直于晶片的长度尺度已经缩小。在某些实施方式中，最后一个处理步骤之后的高度与芯块厚度相匹配。在步骤801中，提供基材。所述基材可以包括晶片基材，所述晶片基材可以由诸如SiC、ZrC或BeO的耐火、抗氧化材料制成，或者可以包括玻璃陶瓷诸如BMAS、BSAS或硅酸锆。在一些实施方式中，基材不是平面，尽管未示出，并且可以包括根据本文描述的实施方式预先形成的纤维，或者任何固体表面。在一些实施方式中，在步骤802，在诸如C或SiC的耐火材料的一个或多个实施方式中，基础纤维的可选阵列生长在基材上。在步骤803，可以是U₃Si₂的第一组短纤维生长在所述基础纤维上，或者如果不存在所述基础纤维，则生长在基材上。在步骤804，在一氮化铀(UN)的一个或多个实施方式中，在第一组短纤维上生长长纤维。在步骤805，可以在长纤维上生长可以包括二硅化铀(U₃Si₂)的第二组短纤维，尽管第二组短纤维不是必需的。通过基础纤维充当将纤维与基材隔开的绝缘体，第一和/或第二短纤维可以充当纤维的帽。功能性可以包括进一步的绝缘，或者这些可以是对于长纤维的电极或存储。在步骤806，在利用LCVD的一些实施方式中，可以通过在每个纤维周围沉积涂层来涂覆整个结构，减去所述基础纤维和所述基材。在一个或多个实施方式中，涂层可包括U₃Si₂。涂层可以增加或增强纤维的功能性。在步骤807，保护层可沉积在涂层上。根据本发明的一个或多个实施方式，保护层可以包括例如SiC、BeO或C的一个或多个层。保护层可以保护纤维和/或涂层免受环境磨损，以及将纤维结构与其周围隔离。在步骤808，可以提供围绕纤维结构的纤维的基质材料。这种基质材料可以是诸如碳化硅或碳化锆的耐火陶瓷、诸如钨的金属，或者基质本身可以是纳米复合材料，例如碳化硅晶须增强的碳化硅基质。在一个或多个实施方式中，无论是否提供基质材料，可在此方法之后直接在纤维结构的顶部上生长另一纤维结构。因此，先前的纤维结构可以用作进一步纤维结构制造的基材。

尽管上面描述了UN和U₃Si₂，纤维也可以利用任何氮化铀，以及碳-钼-铀和碳-钨-铀。例如，在设计核燃料时可以使用碳化铀钨(UWC)和碳化铀钼(UMoC)。

用于改变纤维的尺寸、组成和涂层的任何上述技术可用于图8所示的方法中。图9A示出了纤维阵列(例如，如图7所示)。在图9A中，纤维之间的间隔使得相邻纤维在沉积期间不遮挡激光器。它的范围可以从纤维直径的两倍到纤维长度，在一些实施方式中大约是纤维直径的100倍。如图所示，每个纤维可以垂直于晶片的表面延伸。然而，如图9B所示，纤维可以以任何角度生长。因此，纤维结构可包括相对于基材表面在单个或多个方向上取向的纤维。纤维的间距也可以变化，以单个或多个图案排列。

如图10所示，一旦纤维结构已经生长，并且在提供基质材料之前，纤维之间的空间或一些空间可以用带或纤维填充，所述带或纤维在垂直于纤维结构的纤维的方向上延伸，平行于基材的表面。图10示出了基材上的垂直纤维之间的带或纤维。图11A示出了图10的替代方案，其中纤维提供六边形阵列而不是正方形阵列。图11B示出了六边形阵列的纤维之间的晶格中的带或纤维，其中图11C具有填充在纤维和晶格周围的基质材料。带或纤维可以包括不同取向的SiC或其它材料，例如分别在0-90或0、60、120，如图10和图11B所示，然后其可以用基质材料包围(图11C)。这些带或纤维可以充当微热管的网络，由于带或纤维的热性质而提供冷却，并且还可以提供纤维结构的结构增强，通过增强纤维结构的晶格结构增加强度。然后，该耐火纤维的2-D阵列可以用耐火基质，例如SiC、BeO、ZrC、玻璃陶瓷或其混合物包围，以进一步保护纤维结构的环境，并增强纤维结构的结构完整性。尽管在图10中示出纤维结构阵列的正方形晶格，但纤维结构可包括任何形状，包括根据图11A-11C的六边形晶格阵列，以及其它形状。这些阵列可以由基材的形状限定，或者可以在基材上限定多个阵列，例如利用某种形式的隔离，例如在一些实施方式中的深沟槽隔离，在连续基材上限定一个或多个形状的多个阵列。

图9A、9B、10和11A-11C中所示的纤维结构可用于高效核燃料和燃料设计、高温和超高温结构材料、小型化或轻质核热推进(NTP)固体堆芯、多功能反应堆设计，其可允许集成健康和热监测，因为一些纤维结构也可设计为传感器以及多用途热电电源。另外，利用根据其中公开的实施方式的上述公开的方法，传感器、致动器和其它装置可以嵌入到任何纤维结构的纤维中，例如，通过在纤维结构的制造、SPOT-COATING或上述公开的其它方法期间的任何点处改变纤维的材料。可以在每个阵列中提供多种类型的纤维，或者可以使用不同纤维的多个阵列。如上所述，致动器和/或传感器可以嵌入一个或多个阵列的一个或多个纤维中。因此，可以根据上述一个或多个实施方式制造具有多种用途的大量阵列。

CMC、PMC和MMC应用

整块碳化硅由于是陶瓷材料，具有很小的损伤耐受性。这是工程复合材料的用武之地：最突出的是包含用碳化硅纤维(SiCf)增强的碳化硅基质(SiCm)的陶瓷基质复合材料(CMC)(即，SiCm-SiCf CMCs)。与它们的整体对应物相比，这些工程材料提供显著增加的韧性(10-1000x)。然而，与更成熟的复合材料(如聚合物基质复合材料(PMC)或金属基质复合材料(MMC))相比，CMCs表现出显著不同的失效机制。尽管PMCs和MMCs通常由于分层和/或纤维破裂而失效，同时保持高水平的延展性，但CMCs由于基质的高密度微裂纹而失效，逐渐增加纤维上的负荷，直到它们也破裂，留下图12中所示的纤维拔出1202和“兔洞”1204的特征。微裂纹密度越高，CMC呈现的能量吸收越多(称为“回弹性”)。然而，这种损坏机制可能与施加在涂层材料上的气密性要求不相容。

已经开发了两项缓解策略来解决这一缺点。第一种是由SiC管状心轴组成的混杂陶瓷整体复合材料，心轴周围编织SiCm-SiCf CMC。图13A-B分别示出了三层包壳的区段和三重结构的横截面，其显示了用于容纳燃料芯块的整体SiC管上的复合材料编织，以及用于防止或延缓PWR腐蚀的外阻隔涂层。这种特殊的设计是商业化的陶瓷管产品(商标名称Triplex^TM)。它是通过压扁SiCf丝束并将其编织在一个整体SiC管周围而制成的。三重设计已经过广泛的测试。在冷却剂丧失事故(LOCA)中，它比整体陶瓷提高了约30％的抗折强度，同时保证了裂变产物的阻滞、传热和耐腐蚀性能优于锆合金。

第二种缓解策略由混杂金属-SiCm-SiCf CMC夹层结构组成，例如由授予法国原子能委员会(CEA)的专利所代表，并在图14中示出的用于事故耐受性包壳。在这种情况下，再结晶钽箔被夹在两个编织的SiCm-SiCf CMC管之间。

整块陶瓷-CMC(三重型)和金属-CMC(三明治型)设计系列背后的关键认识是，不能仅依赖薄的SiCm-SiCf CMC管来保证包壳的密封性(更不用说管的密封覆盖问题了)。在这两种情况下，额外的体积和复杂性都是为了密封滞留裂变产物的唯一要求而采取的。密封性不是要求额外体积的唯一设计要求。SiCf丝束是由杂乱无章的细丝成束加捻成纱线，因此留下明显的部分(20-30％min)的“丝束内”空体积。这种空隙率只通过编织或织造来放大，在编织或织造中，丝束相互交叉，增加了“内编织”空体积。尽管拉平丝束在一定程度上减轻了内编织的孔隙，但问题仍然存在，并导致基质渗透后CMC中的闭合孔隙。图15是SiCf-SiCm CMC包壳横截面的SEM图像，示出了内编织(P)和丝束内(Q)空隙。如图15所示，Duquesne(“Caractérisation thermique de structures composites SiCf/SiCtubulaires pour applications nucléaires.Génie des procédés”,Ecole nationalesupérieure d’arts et métiers–ENSAM(2015))和Bale等人出色的X射线显微断层扫描工作清楚地记录了CMCs中此类空隙的存在。(H.A.Bale,A.Haboub,A.A.MacDowell,J.R.Nasiatka,D.L.Parkinson,B.N.Cox,D.B.Marshall and R.O.Ritchie,“Real-TimeQuantitative Imaging of Failure Events in Materials under Load atTemperatures above 1600℃”,Nature Materials,vol.12(1),Jan.2013,pp.40-46)。除了通过产生裂纹起始点削弱CMC之外，这些空隙还降低了复合材料的热导率。此外，在金属-CMC混杂结构的情况下，Duquesne记录了金属与陶瓷的分离，从而增加了导电热传递阻力。然而，这些制造引起的缺陷只是冰山一角。碳化硅的摩擦学特性使得丝束拉平和编织或编织对丝束强度造成了难以置信的破坏，造成的损失超过50％。引发的缺陷只能通过使CMC变厚来弥补，进一步增加传热和燃料体积，并将CVI基质渗透的成本推高到可接受的经济范围之外。从最近的测试来看，三重结构对整体陶瓷的严重依赖使设计容易满足抗震规范的要求，该规范要求断裂应变超过0.07％。

本发明为MMC-CMC混杂复合材料的制备提供了一种实用和创造性的解决方案。本发明开辟了远远超出核包壳的机会，例如能够在1500℃以上工作的高超音速或喷气发动机和燃气轮机。喷气发动机设计者非常希望达到这个温度阈值，原因有二：(1)在这个温度下工作的涡轮发动机当然会表现出更高的热力学效率；但更重要的是(2)将避免对冷却***的需要-这是航空航天应用的重量大幅减轻。关于核包壳目的，公开了一种强度等效的混杂MMC-CMC，其厚度为三重型包壳的1/10，没有金属-CMC的分层问题，没有丝束相关缺陷，没有编织或织造，并且热导率有数量级增加的潜力。当然，薄得多的厚度也意味着低得多的CVI基质成本。

图16示出了根据本发明的一个或多个方面的圆柱形心轴的连续视图和放大插图，在该心轴上沉积了具有正方形格子螺旋图案的纤维林。所产生的多刺体可以称为“porcupine”，每个直立或短纤维一个“尖刺(spike)”1602。

考虑长圆柱心轴代表包壳管的内径。根据本发明，这种心轴可以是可消耗的(在工艺结束时烧掉)或支撑物如薄的(可能是柔性的)金属箔1606(例如Ta或Zr)。在该心轴上，以±45°角沿螺旋图案植入非常大的短(250-500μm)径向SiC纤维1602阵列，如图16所示。

在±45°处的每一条螺旋轨迹都可以用来引导连续SiC纤维的缠绕。图17A-B显示了多个连续纤维1704平行缠绕的带(这种特殊选择的原因将在下一节中变得明显)。图17A是根据本发明的一个或多个方面的断视图，而最后一层四个具有八个50丝的丝带1704正缠绕在正方形图案的纤维porcupine/尖刺林1702周围，并具有由此产生的叠层(中心)的***放大径向视图(图18中所示的缠绕的边缘视图)。图17B是从图17A中得到的μ-格子1710的径向横截面，其示出了根据本发明的一个或多个方面的具有4层带缠绕1704的纤维林。根据本发明的一个方面，心轴1708被示出为任选的(可能是柔性的)金属箔1706。其结果是一致的非织造3-D纤维结构，可以称为“微格”(μ-格子)1710。

图18A示出了根据本发明的一个或多个方面的沿着心轴轴线向下的图17A的螺旋缠绕。并且18B示出了根据本发明的一个或多个方面的在正方形图案纤维林上螺旋缠绕50丝带的运动学模拟实例的透视图。

更具体地说，图18A示出了八条50丝带1804缠绕在porcupine周围的端视图。图18B是这种模拟的一个实例，其示出了细丝整齐地***porcupine尖刺1802之间。为了表现出复合行为，μ-格子结构可以涂覆一层被称为“界面”的薄层(～100nm)(通常为PyC、BN或BeO-，如美国专利公开号2018/0087214A1，公开日2018年3月29日，发明名称为“RefractoryOxide Coated Fiber and Method of Making”(“耐火氧化物涂层纤维及其制造方法”)，其通过引用整体并入本文)，以保持纤维的特性。出于将在下一节中变得清楚的原因，这不需要是单独的制造步骤，因为纤维可以直接预涂有界面而制备(如美国专利公开号US 2019/0062222 A1，公开日2019年2月28日，发明名称为“High Strength Ceramic Fibers andMethods Of Fabrication”(“高强度陶瓷纤维和制造方法”)，其通过引用整体并入本文)。为了完成CMC，可以通过CVI生成SiC基质。如果将可消耗心轴用作豪猪状尖刺的基材，结果可以是超薄CMC壳，如果将porcupine尖刺植入(可能是柔性的)金属箔(例如Ta或Zr)中，则结果可以是混杂MMC-CMC。

纤维激光打印机(FLP)和纤维林发生器(FFG)的适用性

本发明还建立在上面分别参考图1-4和图8-11一般讨论的双重技术创新之上。第一领域－纤维激光打印机(FLP)是以上引入的题目为“High Strength Ceramic Fibersand Methods Of Fabrication”(“高强度陶瓷纤维和制造方法”)的出版物的主题。第二和更近的创新是纤维林发生器(FFG)，其是上面引入的题目为“Functional High-Performance Fiber Structure”(“功能性高性能纤维结构”)的出版物的主题。两种创新都依赖于每个纤维使用激光的快速激光诱导化学气相沉积(R-LCVD)的相同原理。

在前者(FLP)中，纤维是自种的，产品是由相同的直丝组成的连续带，彼此平行。图19示出了根据本发明的一个或多个方面的激光打印的SiC纤维(64丝支数-22μm)的条带包装以美国便士为量度收集在热释放带(例如，Nitto-Denko，日本)上，其中顶部插图是矩形细节的放大，示出了打印的平行连续SiC丝的带1904。图19示出了包含收集在热释放带上的64根细丝的带。FLP可以达到数百个纤维计数。

在后者(FFG)中，纤维被播种在平坦的基材上，产生大量的锚定独立的短细丝阵列，如图20A-C所示，它们分别是根据本发明的一个或多个方面的在玻璃碳基材上以增加的放大倍数的SiC纤维林的大阵列的SEM图像。

纤维激光打印机^TM(FLP)

FLP为无机细丝的生产提供了一种极其通用的方法。它几乎与纤维的材料无关；制造过程中的一种罕见特性，被称为“材料不可知”。例如，FLP已经被应用于没有其他制造方法的细丝的证明：碳化硼；硼；碳化钨(具有27-29GPa的优异硬度)；和第三Si-C-B纤维(具有9GPa的优异拉伸强度)。受让人已经证明，有可能生产沿其轴线功能梯度具有不同成分的纤维。作为FLP材料不可知性质的进一步证明，受让人证明了改变纤维成分和微观结构的径向分布是可能的。例如，受让人展示了定制SiCf微结构分布的能力，其分布范围从(1)纤维中心的拉长各向异性晶粒在纤维边缘变形为等轴细晶粒到(2)整个纤维的均匀微结构。

受让人还证明，当纤维生产时，在FLP中纤维可以被涂覆；业内首创。已经沉积了氮化硼或热解碳(PyC)的界面，其具有额外SiC涂层。这种涂层在10几个nm～10μm的大尺寸窗口范围内是可行的。这是FLP的一个有价值的特点，因为(1)界面涂层是材料表现出复合行为所必需的；(2)在丝束和织物中制备均匀的纤维预涂层还没有令人满意的解决方案。市售SiCf丝束(HNS，SA3)的现有技术包括刚好在基质渗透之前沉积界面；产生许多缺陷的繁琐而繁重的过程。

FLP在几何领域也表现出无与伦比的灵活性。作为DOE资助的努力的一部分，受让人已经证明了直径可以在纤维生长过程中随意控制，导致了可变直径SiCF的首次证明。

关于核应用，该方法的极端灵活性允许根据应用调整组成。利用弯曲应力衰减(BSR)技术，在国立橡树岭试验所(ORNL)对不同化学计量比、微结构均匀的纤维在1500℃和1700℃下进行了1h的热蠕变试验。对于具有径向梯度微结构的纤维-不适用BRS-FFF设计并建造了一个纯拉伸蠕变测试装置。最近在一次会议上公布了一项表征活动的初步结果，该活动比较了市售和受让人的SiCf在空气和氩气中，在1500℃和700MPa拉伸应力下170h的蠕变性能。ORNL和受让人测量的主要收获是受让人的激光打印SiCf表现出优异的抗蠕变性能。相比之下，HNS的强度在1400℃后迅速下降，由于纤维失效(比室温(RT)抗拉强度下降70-90％)，无法完成蠕变试验。HNS纤维最长耐受时间为78h。作为比较，受让人的激光打印SiCf的抗拉强度在1500℃下测量(暴露170h后没有纤维失效)仅比RT下降40％，与SiC的公开数据一致。

纤维林发生器(FFG)

FFG可以类似于垂直于基材表面的FLP。这样做会产生短的独立纤维阵列，长度可达～

”，如图20A-C所示，它们分别是根据本发明的一个或多个方面的在玻璃碳基材上以增加的放大倍数的SiC纤维林的大阵列的SEM图像。纤维成分和微观结构来自FLP。本发明特别感兴趣的是，纤维林已经生长在一系列基材上。图21显示了生长在编织HNS织物上的SiC纤维的矩形阵列。本发明人现在相信这些方法可以用于在多种基材上生长纤维，例如在商业卡片上已经完成的。

图21的要点是示出纤维林可以如何紧密堆积。还进行了在钽丝上生长碳纤维的实验：首先，碳纤维的生长容易启动，但更重要的是纤维与基材的强连接。在其他情况下(例如，在单晶α-SiC上生长β-SiC)纤维会生长，但表现出胶结不良。在本发明中，胶结良好和胶结不良都是感兴趣的。与金属基材的胶结良好将在物理上支持MMC-CMC的结合，而如果只需要CMC，胶结不良可能是理想的。

“织物”应用

上面结合图5-7描述的核包壳应用可以代表本发明提出的最大挑战。然而，在技术发展和加速商业回报方面，也有更适度的应用。实际上，本发明不是设计管状结构，而是涉及非织造织物、它们的可行性和它们的性能。以下将讨论CMCs和由此类非织造织物制成的CMCs和混杂MMC-CMC的成功是关键的性能。

本发明公开了：(1)均匀间隔的连续细丝的带(图19)和(2)独立的短纤维的块状阵列(图20)，本发明在一个方面涉及制造三维非织造织物的方法和所得产品本身。假设直纤维-并且忽略不重要的单向叠层-平面中的对称组通常允许两种叠层结构：正方形和六边形，在复合术语中通常分别称为“0-90”和“0-60”。它们在图22A-24B中进行了图形比较。如这里主要讨论的，正方形和六边形的叠层将是最常见的，但是也可以有其它几何形状，其落入本发明的范围。

图22A-22C示出了根据本发明的一个或多个方面的正方形纤维格子结构组合，包括(A)具有相同纤维直径和间距的正方形布局所需的纤维林支架的俯视图，(B)相应平面内纤维叠层(绿色)的俯视图，以及(C)15层正方形叠层(垂直于纤维轴线的相同纤维横截面)的边缘视图。

图23A-23C示出了根据本发明的一个或多个方面的六边形纤维格子结构组合，包括(A)具有相同纤维直径和间距的六边形布局所需的纤维林支架的俯视图，(B)相应平面内纤维叠层(绿色)的俯视图，以及(C)18层六边形叠层(垂直于纤维轴线的相同纤维横截面)的边缘视图。

图24A-24B分别示出了根据本发明的一个或多个方面的由图22A-22C和23A-23C的正方形和六边形结构形成的μ格子织物。

几何分析表明，对于相同纤维直径(带状和森林状)，正方形和六边形(hex)的可获得的最大纤维体积分数分别为58.90％和55.86％。正方形和六边形叠层的纤维体积分数在带和森林状之间分别为39.27％-19.64％和33.19％-22.67％。这些差异在图22A-24B中清晰可见，其对比了具有相同的纤维直径和间距的两种结构的相同纤维截面表面。图22A和23A清楚地显示了“正方形”纤维林(图22A)相对于六边形(图23A)的更薄的密度。相反，边视图在图22C和23C的底部示出了在正方形叠层(图22C)的情况下，面内连续纤维比六边形(图23C)更密集地堆积。因此，15层正方形叠层沿其主方向具有与18层六边形叠层相同的抗拉强度。或者，如果整个外壳的热导率是设计的驱动力，那么六边形图案应该略胜一筹。

面内纤维的体积分数(正方形和六边形分别为39.3％和33.2％)与通常在由编织和织造的SiCf丝束制成的市售SiC-SiC CMC中发现的体积分数相当。然而，单凭纤维体积分数并不是结构性能的客观衡量标准。激光打印SiCf的直径可在14μm～60μm之间调节，抗拉强度可根据成分从3-7GPa不等。相比之下，市售SiCf丝束，如HNS，是由不连续的14μm单个细丝绞成一根线组成，其公开的总抗拉强度为2.8GPa。丝束内物理上可能的最紧密的细丝堆积是六边形排列，在这种情况下，丝束内的细丝体积分数为90.7％(或π/2√3)。然而，在理论极限下的丝束内堆积密度是不切实际的。任何纤维间的自由度都将消失，使丝束变成一个几乎实心的SiC棒。即使是正方形堆积-对应于纤维体积分数在78.5％(或π/4)以内-也是极不可能的。编织或织造会引入额外的丝束内空隙，这取决于编织或织造模式，进一步降低细丝的体积分数到30-40％或更少的水平。考虑到所有这些因素，在所提出的纤维结构(图22A-23C)中，单根

μm激光打印SiC细丝的结构相当于

-90μm HNS丝束。

甚至比纤维体积分数更关键的是，编织和织造会给丝束带来严重的损害。一根丝束穿过另一根丝束的地方是一个应力上升点，它引发纤维开裂并限制复合材料的整体强度。在现有技术中，PI导出两根细丝之间的赫兹接触压力作为接触角和载荷的函数。结果表明，两根15μm的SiC纤维(杨氏模量350-400GPa)在90°处交叉时，只要施加1mN的载荷，就足以使纤维断裂。通过将丝束弯曲成如图21背景技术中的织造图案，可以容易地达到这样的载荷，因此，可以预期消除纤维交叉会显著增加复合材料的整体强度。换句话说，图22A-24B提出的结构可以潜在地将CMC壳结构的厚度减小2-3倍，同时保持结构强度。

关于结构强度，已知复合材料中的层间剪切与层间距离成正比。这导致复合材料行业的大型参与者推动解开丝束，将它们压扁成细丝带。FLP无偿超越了这一目标，实现了单纤维厚层的最终极限。因此，即使在考虑到纤维林之前，也可以合理地猜测建议的结构将提供另外的抗分层能力。

本发明的纤维林的引入可以与Z-Pinning技术相提并论，但有很大的改进。Z-Pinning通常用于连接复合材料结构或提供层间剪切减弱的手段。它是通过在基质渗透之前迫使针或粗纤维穿过多层织物来实现。虽然它已被证明能增强层间载荷传递，从而减少层间剪切，但它也已知对周围的织物或层极具有破坏性。由于这个原因，Z-Pinning被很少地应用，并且只应用于那些有分层风险的区域。因此，传统复合材料中Z-Pinning所代表的纤维体积分数很少超过1％。相反，特别是在图22A-24C中，本文提出的3-D纤维结构对于正方形和六边形分别递送高达19.6％和22.7％的Z-Pin(即纤维林)纤维体积分数，基本上是免费的，并且没有对交叉层的任何损害。因此，合理地预期增强的层间载荷传递和层间剪切强度。

除了结构上的优点之外，高密度纤维林潜在地呈现显著的跨厚度热传递益处。所述林中SiC纤维的微观结构呈现非均匀的微观结构，其中心处的细长晶粒向外成等轴纳米晶。关于类似β-SiC微结构的现有文献指出，与径向相比，沿纤维轴的各向异性电导率高15％。因此，与不具有纤维林的复合材料相比，纤维林将厚度上的热导率提高约3％。其本身较小，这是由减小的厚度提供的大得多的益处的另外3％；这本身将热阻降低了2-3倍，与等强度的织造或编织的市售SiCf丝束相比，复合壳体上的电导率可以很好地提高2.0-3.1倍的最小因子。这是最小的，因为它没有考虑到许多研究人员在用丝束制造的CMC中测量的增加的热阻，这是由于丝束内和织物内的空隙由于不完全的基质渗透而留下的结果。这种空隙是用SiCf丝束增强的CMC的常见且充分证明的问题。它们是由基质的化学气相渗透(CVI)难以接近的闭合丝束内和内编织孔隙率产生的。相反，注意到图22A-24B的纤维构造不能表现出封闭的孔隙率。正方形和六边形结构都留下互连的开放孔隙的网络，其应该消除对基质的全密度CVI的障碍。

与现有技术的市售SiCf丝束织物相比，所公开的方法基本上避免了编织、织造或编结的需要，而有利于微型等价物的钢筋网格。因此，本发明在一个方面是非织造织物“微格”(μ-格子)织物，如图22A-24B所示。这样的织物将使CMC的制造与现有的复合材料叠层技术相结合，进一步降低CMC的制造成本。甚至更多的实施方式是可能的。一个这样的实施方式将是用高结晶度的β-SiC颗粒或晶须预先填充纤维之间的空隙，从而大幅减少CVI工艺的持续时间和成本，和/或开发其他致密化工艺(例如FAST)。

传感器实施-例如热电堆

图25A显示了微嵌入高温W-Re热电堆的变形截面图。

该传感器设计基于美国专利公开号No.2017/0331022A1中所要求的技术堆栈，其公开日为2017年11月16日，发明名称为“An Additive Manufacturing Technology forthe Fabrication and Characterization of Nuclear Reactor Fuel”(“用于核反应堆燃料的加工和特征描述的增材制造技术”)；PCT公开号WO 2017/197105 A1号，公开日2017年11月16日。如图25所示。

外半径2.5μm相对于25μm骨架SiC纤维放大33倍，而轴向尺寸收缩～300倍。只有一个接点，该结构形成高温热电偶。通过多个接点，其形成了热驱动电源，其可用于为微嵌入式传感器的无线询问供电。红色和蓝色“电线”表示电源/热电偶。

图25B是图25A的热电堆的透视图。为了清楚起见，移除了类似的变形和外部2.5μm的嵌入。

根据本发明，通常只被认为是陶瓷或碳基复合材料中的结构或热结构增强体的纤维也可以容纳嵌入式微传感器，或更一般地容纳微***。嵌入这种微设备的策略被称为“点涂层”。嵌入复合材料基质中的大型纤维集成传感器阵列可以测量复合材料中的温度场、应变场等，从而连续监测复合材料内部的功能状态。此外，随着这种读数随时间的演变(所谓的“4-D传感”)，局部读数的变化可以通知缺陷传播的检测和监控。生物学上的一个类比是神经***。

图25A-25B的实施方式仅仅是一个示例，用于说明可行的嵌入式微器件的宽范围。在其最简单的表述中，其中每种金属仅有一层作为涂层施加，热电偶对是可行的，例如W-Re、W-Mo、W-Nb或Mo-Nb。可用于代替上述金属对的其它高温热电偶对包括例如基于导电二硼化物或氧化物的对(例如HfB₂/TaB₂或ZnO/In₂O₃)。

在广义上，所公开的热电偶可以是一端接触的双金属对。在这种情况下，该对由沉积在纤维结构内的同心金属微管制成。在最一般的情况下，可以覆盖多层交替的金属对，每一端有交替的接点。这种更一般的版本通常用作热电堆并用于热电发电。

根据本发明，这种微传感器可以形成为用于目标目的的独立传感器，和/或嵌入到上面讨论的织物中和/或作为其一部分组装，以形成织物功能的组成部分。

传感器的功能层可以包括导电层，该导电层在一端连接到由绝缘层隔开的第二不同导电层，以使得该结合根据塞贝克效应形成热电偶对。

另外，根据塞贝克效应和汤普森效应，多对热电偶可以叠加串联形成热电堆。

根据本发明的一个或多个方面，本文公开的织物可以通过本文公开的任何方法形成。

带微格的整体附件

微格纤维结构不限于结构增强。在如图20A所示的碳基材、如图21所示的陶瓷基质复合材料或如图26A所示的金属表面上植入直立或短纤维阵列，提供了与微格加强复合材料整体连接的方法。这由图26B示出，其中激光打印的碳化硅纤维层在垂直于直立或短纤维阵列的平面中以0-90°取向***，并且随后渗入基质。得到整体混杂复合材料，其中用于生长短纤维阵列的基材永久地连接到在其上构建的微格增强复合材料上。图26C示出了将直立纤维植入到金属基部中。注意，在图26C中，环氧树脂作为嵌入介质存在以允许纤维结构的横截面，并且不是最终结构的一部分。

更具体地，为了生产其中金属基部连接到陶瓷基质复合材料的混杂复合材料，例如，通过LCVD在金属基部上生长独立纤维的高密度阵列。以这样的方式调节工艺参数，使得独立纤维实际上在基部金属中生根，从而提供坚固的机械连接。这由图26A示出，图26A示出通过LCVD在锆箔上生长的碳化硅纤维的高密度正方形阵列，其中激光工艺参数例如独立纤维的根部延伸到钽中，形成从金属基部到独立陶瓷纤维的过渡。

然后，布置成带(例如图19中所示的那些)、布置成非织造垫或其组合的纤维与独立纤维的阵列穿插地设置，从而产生微格结构。这种组装的结果在图26B中看到，从独立纤维阵列向下看，连续的碳化硅纤维彼此成90°，并且沿着独立纤维行之间的空间延伸。得到正方形格子的微格。例如，通过CVD/CVI或陶瓷前体聚合物渗透来渗透基质，例如碳化硅，从而产生具有与金属基部的整体连接的陶瓷基体复合壳。为了清楚起见，在图26B中，用透明环氧树脂代替碳化硅基质，该透明环氧树脂示出垂直于独立阵列延伸的一些连续纤维。

为了研究进入金属基部的独立陶瓷纤维的根部的性质，图26B中的样品沿一排独立纤维切开。分析根部以显示从基部金属到独立陶瓷纤维的逐渐过渡。在图26C中，独立纤维进入锆金属基部的这种根部或锚定是明显的，图26C以横截面清楚地示出了独立纤维的基部。测量其剪切性能的连接强度以确认锚定。

最简单的是，微格可用于使用非织造纤维结构和取向来定制复合材料的增强。例如，图27示出了从外部看上去相同的两个样品复合紧固件。然而，对微格纤维增强材料的仔细检查显示了它们在结构和取向上的差异。图27示出了根据纤维结构和取向可以实现两族复合结构。正方形和六边形的3-D纤维结构的放大角分别在图27的左边和右边示出，其中移除了基质。这些新的复合材料表现出真正的3-D纤维结构，其防止分层失效。与3-D编织或织造相比，3-D编织或织造已知会对丝束造成严重损害并留下丝束内空隙和内编织空隙，3-D微格保留了纤维的天然性质，并且是固有开放的多孔结构，使其自身易于渗透。这些优点通过激光打印的碳化硅纤维放大，因为它们在高温强度、蠕变和抗氧化性方面表现出显著优于聚合物衍生的碳化硅纤维丝束。

最后，代替在基部金属上构建微格复合物，还可以利用微格结构将金属沉积到陶瓷基质复合物上，从而以另一种方式实现连接。例如，图28示出了如何使短纤维的六边形阵列突出复合材料基部，以便随后渗透或沉积金属(例如，液态金属)。

当留下间隙时，也实现了基部基材和微格增强陶瓷基质复合材料之间的接合。在图29中示出了源自图17的样本结构。它示出了心轴的端视图，按照放大的插图，该心轴具有由间隙分开的复合材料层。陶瓷基质复合材料外壳和心轴通过从心轴突出的非常大的尖刺阵列固定在一起。留下这样的间隙可以提供许多益处。例如，尖刺可被认为是弹性连接，以弥补心轴和复合物之间的热膨胀差异并防止分层。该间隙也可用作冷却剂流体的冷却通道。在这种情况下，除了结构性结之外，尖刺还用作翅片以增强与流体的热交换。

本领域技术人员将注意到，在此公开了许多发明方面和特征，并且除非不一致，否则每个公开的方面或特征可与在此公开的特定应用所需的任何其他公开的方面或特征组合。提供了如本文所述的本发明的实施方式的小样本：

A1.非织造织物，其包括：三维纤维阵列，其中所述三维纤维阵列的至少一部分包括：垂直于所述非织造织物的平面延伸并延伸到基部基材的直立纤维阵列，所述基部基材是可消耗薄膜基材、金属基部基材或心轴基材中的至少一种；和多层非织造平行纤维，其以纤维层取向的限定图案在直立纤维阵列之间平行于非织造织物平面延伸。

A2.如A1所述的非织造织物，其中所述直立纤维阵列包括垂直于所述非织造织物的平面延伸的直立纤维正方形阵列，并且纤维层取向的限定图案包括层的0-90取向图案。

A3.如A1或A2所述的非织造织物，其中所述直立纤维阵列包括垂直于所述非织造织物的平面延伸的直立纤维的六边形阵列，并且纤维层取向的限定图案包括层的0-60-120取向图案。

A4.如A1、A2或A3所述的非织造织物，其中：所述直立纤维阵列包括选自硼、碳、铝、硅、钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铀、钍、钚、氮、氧及其组合的普通固体材料；和/或平行于织物平面延伸的多层非织造平行纤维包括选自硼、碳、铝、硅、钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铀、钍、钚、氮、氧及其组合的普通固体材料。

A5.如A1、A2、A3或A4所述的非织造织物，其中平行于非织造织物平面延伸的非织造织物平行纤维的不同方向上延伸的纤维具有不同的构成材料，并且平行于非织造织物平面延伸的多层非织造织物平行纤维的不同层中的纤维具有不同的构成材料，并且具有与垂直于非织造织物平面延伸的直立纤维阵列的纤维不同的构成材料。

A6.如A1、A2、A3、A4或A5所述的非织造织物，其中所述直立纤维阵列使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)从所述基部基材延伸生长。

A7.如A1、A2、A3、A4、A5或A6所述的非织造织物，其与复合材料结构组合，其中复合材料结构的基质用所述非织造织物增强，所述基质由选自硼、碳、铝、硅、钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铀、钍、钚、氮、氧及其组合的普通固体材料组成。

A8.如A7所述的组合，其中垂直于所述非织造织物的平面延伸的所述直立纤维阵列的直立纤维被锚定到金属基部基材中，并与整体地接合到所述复合材料结构的所述金属基部基材形成混杂复合材料。

A9.如A7或A8所述的组合，其中在金属基部基材和多层非织造平行纤维之间留有间隙，所述多层非织造平行纤维在所述直立纤维阵列之间平行于所述非织造织物的平面延伸。

A10.如A9所述的组合，其中所述间隙限定或包括冷却通道。

A11.如A9或A10所述的组合，其中所述间隙中的所述直立纤维阵列的直立纤维用作弹性梁，所述弹性梁弥补所述金属基部基材和所述多层非织造平行纤维之间的热膨胀差异。

B1.三维织物，包括不相互交错或交织以保持纤维强度的纤维阵列。所述纤维阵列包括：延伸三维织物的厚度或更厚的直立纤维阵列，并从(i)可消耗材料的薄层，(ii)三维织物的一部分的层，或(iii)心轴，生长，以直接形成成品CMC壳。此外，所述纤维阵列包括至少一层平行纤维，所述至少一层平行纤维在所述直立纤维阵列的直立纤维之间平行于所述三维织物的平面延伸。

B2.如B1所述的三维织物，其中平行于三维织物的平面延伸的至少一层纤维为一层纤维层厚。

B3.如B1或B2所述的三维织物，其中所述直立纤维阵列使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)生长。

C1.方法，包括：形成包含三维纤维阵列的非织造织物。所述成形包括：形成垂直于所述非织造织物的平面延伸并连接到基部基材上的直立纤维阵列，所述基部基材是可消耗薄膜基材、金属基部基材或心轴基材中的至少一种；以及在所述直立纤维阵列的直立纤维之间提供多层非织造平行纤维，所述多层非织造平行纤维以纤维层取向的限定图案平行于所述非织造织物的平面延伸。

C2.如C1所述的方法，其中所述直立纤维阵列包括垂直于所述非织造织物的平面延伸的直立纤维的正方形阵列，并且纤维层取向的限定图案包括层的0-90取向图案。

C3.如C1或C2所述的方法，其中所述直立纤维阵列包括垂直于所述非织造织物的平面延伸的直立纤维的六边形阵列，并且纤维层取向的限定图案包括层的0-60-120取向图案。

C4.如C1、C2或C3所述的方法，其中形成垂直于所述非织造织物的平面延伸的所述直立纤维阵列包括：使所述直立纤维阵列生长以从所述基部基材垂直于所述非织造织物的平面延伸。

C5.如C4所述的方法，其中使所述直立纤维阵列生长包括在生长所述直立纤维阵列以从所述基部结构延伸中使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)，并且其中所述基部结构包括所述金属基部基材或心轴基材中的一种，所述生长导致将所述直立纤维阵列整体接合到所述基部基材。

C6.如C1、C2、C3、C4或C5所述的方法，其中在所述直立纤维阵列的所述直立纤维之间提供所述多层非织造平行纤维包括在所述基部基材和所述多层非织造平行纤维之间留下间隙，

C7.如C6所述的方法，其中提供所述间隙包括调整所述间隙的尺寸以在所述基部基材和所述多层非织造平行纤维之间限定冷却通道，

C8.如C6或C7所述的方法，其中形成连接到所述基部基材的所述直立纤维阵列包括选择用于所述直立纤维阵列的构成材料，使得所述间隙中的所述直立纤维阵列的直立纤维用作弹性梁，所述弹性梁弥补所述基部基材和所述多层非织造平行纤维之间的热膨胀差异。

这里使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，并不旨在限制本发明。如在此所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文明确另有指示。将进一步理解，术语“包含”(和任何形式的包含，例如“comprises/comprising”)、“具有”(和任何形式的具有，例如has/having)、“包括”(和任何形式的包括，例如includes/including/contain/contains/containing是开放式连接动词。作为结果，“包括”、“具有”或“包含”一个或多个步骤或元件的方法或设备具有那些一个或多个步骤或元件，但不限于仅具有那些一个或多个步骤或元件。同样，“包括”、“具有”或“包含”一个或多个特征的方法或设备的元件的步骤具有这些一个或多个特征，但不限于仅具有这些一个或多个特征。此外，以特定方式配置的设备或结构至少以该方式配置，但也可以以未列出的方式配置。

以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的相应结构、材料、动作和等价物(如果有的话)旨在包括用于与具体要求保护的其他要求保护元件组合执行功能的任何结构、材料或动作。本发明的描述是为了说明和描述的目的而提出的，但不是为了穷尽或以所公开的形式限制本发明。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域的普通技术人员来说是显而易见的。选择和描述该实施方式是为了最好地解释本发明的一个或多个方面的原理和实际应用，并使本领域的其他普通技术人员能够理解本发明的一个或多个方面，这些实施方式具有适合于所设想的特定用途的各种修改。

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Claims (20)

1.非织造织物，其包括：

三维纤维阵列，其中所述三维纤维阵列的至少一部分包括：

直立纤维阵列，其垂直于所述非织造织物的平面延伸并且连接到基部基材，所述基部基材是可消耗膜基材、金属基部基材或心轴基材中的至少一种；以及

多层非织造平行纤维，其以纤维层取向的限定图案在直立纤维阵列之间平行于所述非织造织物的平面延伸。

2.根据权利要求1所述的非织造织物，其中所述直立纤维阵列包括垂直于所述非织造织物的所述平面延伸的直立纤维的正方形阵列，并且所述纤维层取向的限定图案包括层的0-90取向图案。

3.根据权利要求1所述的非织造织物，其中所述直立纤维阵列包括垂直于所述非织造织物的所述平面延伸的直立纤维的六边形阵列，并且所述纤维层取向的限定图案包括层的0-60-120取向图案。

4.根据权利要求1所述的非织造织物，其中：

所述直立纤维阵列包括选自硼、碳、铝、硅、钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铀、钍、钚、氮、氧及它们的组合的普通固体材料；以及

平行于所述织物的所述平面延伸的所述多层非织造平行纤维包括选自硼、碳、铝、硅、钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铀、钍、钚、氮、氧及它们的组合的普通固体材料。

5.根据权利要求1所述的非织造织物，其中在平行于所述非织造织物的所述平面延伸的所述非织造平行纤维的不同方向上延伸的纤维具有不同的构成材料，并且在平行于所述非织造织物的所述平面延伸的所述多层非织造平行纤维的不同层中的纤维具有不同的构成材料，并且具有与垂直于所述非织造织物的所述平面延伸的所述直立纤维阵列的纤维不同的构成材料。

6.根据权利要求1所述的非织造织物，其与复合材料结构组合，其中所述复合材料结构的基质用所述非织造织物增强，所述基质由选自硼、碳、铝、硅、钛、锆、铌、钼、铪、钽、钨、铼、钇、锇、铀、钍、钚、氮、氧及它们的组合的普通固体材料组成。

7.根据权利要求6所述的组合，其中垂直于所述非织造织物的所述平面延伸的所述直立纤维阵列的直立纤维被锚定到金属基部基材中，并且与整体地接合到所述复合材料结构的所述金属基部基材形成混杂复合材料。

8.根据权利要求7所述的组合，其中在所述金属基部基材和所述多层非织造平行纤维之间留有间隙，所述多层非织造平行纤维在所述直立纤维阵列之间平行于所述非织造织物的所述平面延伸。

9.根据权利要求8所述的组合，其中所述间隙包括冷却通道。

10.根据权利要求8所述的组合，其中所述间隙中的所述直立纤维阵列的直立纤维用作弹性梁，所述弹性梁弥补所述金属基部基材与所述多层非织造平行纤维之间的热膨胀差异。

11.三维织物，其包括：

纤维阵列，所述纤维阵列不彼此交错或交织以保持纤维强度，所述纤维阵列包括：

直立纤维阵列，其延伸所述三维织物的厚度或更厚，并且从(i)可消耗材料的薄层，(ii)所述三维织物的一部分的层，或(iii)心轴，生长以直接形成成品CMC壳；以及

至少一层平行纤维，所述至少一层平行纤维在所述直立纤维阵列的直立纤维之间平行于所述三维织物的平面延伸。

12.如权利要求11所述的织物，其中平行于所述三维织物的平面延伸的至少一层纤维是一层纤维层厚。

13.方法，其包括：

形成包含三维纤维阵列的非织造织物，所述形成包括：

形成直立纤维阵列，所述直立纤维阵列垂直于所述非织造织物的平面延伸并且连接到基部基材，所述基部基材为可消耗膜基材、金属基部基材或心轴基材中的至少一种；以及

在直立纤维阵列的直立纤维之间提供多层非织造平行纤维，并且所述多层非织造平行纤维以纤维层取向的限定图案平行于所述非织造织物的平面延伸。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述直立纤维阵列包括垂直于所述非织造织物的所述平面延伸的直立纤维的正方形阵列，并且所述纤维层取向的限定图案包括层的0-90取向图案。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述直立纤维阵列包括垂直于所述非织造织物的所述平面延伸的直立纤维的六边形阵列，并且所述纤维层取向的限定图案包括层的0-60-120取向图案。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，形成垂直于所述非织造织物的所述平面延伸的所述直立纤维阵列包括使所述直立纤维阵列生长以从所述基部基材垂直于所述非织造织物的所述平面延伸。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，使所述直立纤维阵列生长包括在生长所述直立纤维阵列以从所述基部结构延伸中使用激光辅助化学气相沉积(LCVD)，并且其中，所述基部结构包括金属基部基材或心轴基材中的一种，所述生长导致将所述直立纤维阵列整体接合到所述基部基材。

18.根据权利要求13所述的方法，其中在所述直立纤维阵列的所述直立纤维之间提供所述多层非织造平行纤维包括在所述基部基材和所述多层非织造平行纤维之间留下间隙。

19.根据权利要求18所述的方法，其中提供所述间隙包括调整所述间隙的尺寸以在所述基础基部基材和所述多层非织造平行纤维之间限定冷却通道。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，形成连接至所述基部基材的直立纤维阵列包括选择用于所述直立纤维阵列的构成材料，使得所述间隙中的所述直立纤维阵列的直立纤维用作弹性梁，所述弹性梁弥补所述基部基材与所述多层非织造平行纤维之间的热膨胀差异。

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