IT202100009803A1

IT202100009803A1 - Materiale sagomato e relativo metodo di produzione

Info

Publication number: IT202100009803A1
Application number: IT102021000009803A
Authority: IT
Inventors: Omar Cividini
Original assignee: Brembo Spa
Priority date: 2021-04-19
Filing date: 2021-04-19
Publication date: 2022-10-19
Also published as: WO2022224095A1; US20240200625A1; CN117545939A; EP4326996A1

Description

TITOLO: MATERIALE SAGOMATO E RELATIVO METODO DI PRODUZIONE

Descrizione

Campo dell?invenzione

La presente invenzione riguarda un materiale sagomato e un metodo per la realizzazione di detto materiale sagomato. Preferibilmente, detto materiale sagomato ? un disco per freni a disco. Pi? preferibilmente, detto materiale sagomato ? un disco ventilato per freni a disco.

Stato dell?arte

? noto l?impiego di dischi per freni a disco realizzati con materiali a base di carbonio, c.d. ?Carbon Carbon? oppure ?C/C?. Si tratta di materiali compositi costituiti da una matrice di carbonio in cui sono disposte fibre di rinforzo in carbonio.

Tipicamente, le fibre di carbonio, o di un precursore del carbonio, vengono aggregate (da sole o con l'utilizzo di leganti, ad esempio resine) a costituire una struttura tridimensionale denominata ?preforma?. I precursori del carbonio pi? usati sono PAN, pece (pitch) e rayon.

La matrice di carbonio ? ottenuta durante processi di densificazione della struttura fibrosa, che possono essere eseguiti in vari modi, ad esempio mediante CVD (Chemical Vapour Deposition), CVI (Chemical Vapour Infiltration), LPI (Liquid Polymer Infiltration), PIP (Polymer Infiltration and Pyrolysis), o impregnazione con resina e/o peci.

I dischi in materiale ?C/C? sono quindi ottenuti mediante un procedimento che prevede la sovrapposizione di strati di tessuto e/o di tessuto non-tessuto a formare la cosiddetta ?preforma? carboniosa, l?eventuale aggiunta di resine, eventuali trattamenti termici, e processi di densificazione con carbonio. Questi ultimi portano ad un aumento della densit? tale da conferire al materiale adeguate propriet? meccaniche, termiche e tribologiche, per esempio un aumento della densit? dalle 2 alle 6 volte.

Per lavorare come materiale d'attrito, il materiale ?C/C? ha bisogno di alte temperature di applicazione che rendono i dischi realizzati in materiale ?C/C? particolarmente idonei per applicazioni in freni a disco destinati ad essere installati su veicoli ad elevate prestazioni, ad esempio auto di alta gamma o moto per competizioni.

Come noto, i dischi per freni a disco comprendono una porzione anulare, denominata fascia di frenatura, destinata a cooperare con pastiglie freno di una pinza. Nel caso dei dischi di tipo ventilato, la fascia di frenatura ? realizzata mediante due cartelle le cui superfici esterne definiscono opposte superfici di frenatura, mentre le superfici interne delimitano la porzione del disco comprendente i fori di ventilazione per il raffreddamento del disco. Detta fascia di frenatura ? destinata a cooperare con pinze per freno a disco adatte ad esercitare un?azione frenante sul veicolo, esercitando, mediante le suddette pastiglie, attrito sulle superfici opposte delle due cartelle, dette superfici di frenatura.

A causa della particolare architettura che si viene a creare all?interno della struttura stratificata del disco in materiale ?C/C?, alcune regioni del disco si sono rivelate essere critiche a livello strutturale poich? possiedono una bassa resistenza rispetto al carico applicato e una bassa resistenza a flessione.

Ne consegue che, in corrispondenza di tali regioni si potrebbero formare cricche o fratture, inaccettabili per le fasce di impiego pi? elevate dal punto di vista prestazionale e per le applicazioni frenanti pi? estreme, come nel caso delle auto sportive, delle moto e di altri mezzi di trasporto che viaggiano ad alte velocit?.

Al fine di incrementare la resistenza flessionale dei dischi in materiale ?C/C?, EP 3 308 053 descrive un disco comprendente una pluralit? di strati di fibre di carbonio, ciascuno dei quali comprendente a sua volta una pluralit? di segmenti radiali e segmenti trasversali affiancati tra loro, in cui il numero di segmenti trasversali ? superiore rispetto al numero di segmenti radiali. Pi? in particolare, all?interno dei suddetti strati di fibre di carbonio, cinque segmenti radiali sono alternati ad almeno sei o sette segmenti trasversali.

Sebbene l?architettura presentata dal disco oggetto di EP 3 308 053 si sia rivelata efficace nel ridurre l?insorgenza di fratture, essa non ? in grado di garantire una resistenza del disco ottimale.

Per le applicazioni stradali di alta gamma e le applicazioni frenanti pi? estreme, ? inoltre particolarmente sentita l?esigenza di ridurre il pi? possibile lo spessore minimo ammissibile per le cartelle del disco, cio? lo spessore minimo ammissibile delle cartelle usurate, ovvero consumate per effetto dello sfregamento da parte delle superfici di frenatura contro la pastiglia di un freno a disco.

L?architettura del disco descritta in EP 3 308 053 impone uno spessore minimo delle cartelle che ? particolarmente nelle fasce di impiego pi? elevate dal punto di vista prestazionale ? ? auspicabile ridurre.

Ad oggi non ? stato ancora possibile incrementare sensibilmente la resistenza flessionale dei dischi in materiale ?C/C? e, allo stesso tempo, la loro resistenza dei trascinamenti.

Pertanto, il problema che sta alla base della presente invenzione ? quello di mettere a disposizione un materiale sagomato, preferibilmente un disco per freni a disco, che superi gli inconvenienti dell?arte nota, ed un procedimento per il suo ottenimento che sia convenientemente attuabile. Pi? in particolare, la presente invenzione si propone di mettere a disposizione un materiale sagomato in grado di ridurre drasticamente l?eventualit? di cricche e fratture in un freno a disco, garantendo allo stesso tempo una elevata resistenza del disco e riducendo ulteriormente lo spessore minimo ammissibile per le cartelle.

Sommario dell?invenzione

Il problema sopra enunciato ? risolto da un materiale sagomato e da un metodo per la realizzazione di detto materiale sagomato come delineati nelle annesse rivendicazioni, le cui definizioni formano parte integrante della presente descrizione.

Un primo oggetto dell?invenzione ? un materiale sagomato avente forma circolare o anulare, ad esempio un disco per freni a disco, ad esempio di tipo ventilato, comprendente:

una pluralit? di strati di fibre di carbonio impilati lungo un asse di sovrapposizione Z,

in cui ciascuno strato comprende una pluralit? di segmenti radiali e segmenti trasversali affiancati e uniti tra loro a formare detto strato,

in cui i segmenti radiali sono segmenti in cui le fibre di carbonio sono orientate prevalentemente in una direzione radiale R rispetto all?asse di sovrapposizione Z oppure orientate circa parallelamente alla direzione radiale R, e i segmenti trasversali sono segmenti in cui le fibre di carbonio sono orientate prevalentemente in una direzione I incidente detta direzione radiale R,

in cui detto materiale sagomato ? caratterizzato dal fatto che ciascun segmento radiale ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento trasversale e ciascun segmento trasversale ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento radiale, formando in ciascuno strato un?alternanza di segmenti radiali e segmenti trasversali.

Un secondo oggetto della presente invenzione ? un metodo per la realizzazione del materiale sagomato come definito sopra, che comprende le seguenti fasi:

a) impilare una pluralit? di strati di fibre di carbonio, oppure di precursori di dette fibre di carbonio, lungo un asse di sovrapposizione Z a formare un corpo multistrato, ciascuno di detti strati essendo formato da una pluralit? di segmenti radiali e segmenti trasversali, in cui ciascun segmento radiale ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento trasversale e ciascun segmento trasversale ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento radiale, formando in ciascuno strato un?alternanza di segmenti radiali e segmenti trasversali;

b) sottoporre il corpo multistrato ottenuto nella fase a) a un trattamento di densificazione termico o termochimico, in modo da ottenere detto materiale sagomato;

c) opzionalmente, infiltrare il materiale sagomato ottenuto nella fase b) con un agente infiltrante, ad esempio silicio (Si) o carburo di silicio (SiC).

L?architettura specifica degli strati di cui ? costituito il materiale sagomato oggetto della presente invenzione, ovvero l?alternanza di un segmento radiale e di un segmento trasversale in ciascuno strato, conferisce al materiale sagomato dell?invenzione una aumentata resistenza a flessione, nonch? una aumentata resistenza dei trascinamenti, rispetto ai materiali sagomati in materiale ?C/C? esistenti che presentano differenti architetture degli strati.

Inoltre, si ? sorprendentemente trovato che, laddove il materiale sagomato ? un disco per freni a disco di tipo ventilato, la resistenza a flessione delle cartelle del disco ? garantita con un numero inferiore di strati in cartella rispetto ai dischi ventilati noti. Questo si traduce vantaggiosamente in uno spessore minimo ammissibile per le cartelle usurate che ? inferiore a quello delle cartelle dei dischi ventilati noti. In particolare, si ? sorprendentemente trovato che la resistenza a flessione del disco ventilato ? garantita con soli tre strati in cartella.

I suddetti vantaggi esibiti dal materiale sagomato oggetto della presente invenzione sono ottenuti a pari costi di realizzazione rispetto ai materiali sagomati esistenti.

Ulteriori caratteristiche e vantaggi dell?invenzione risulteranno maggiormente dalla descrizione di alcuni esempi di realizzazione, fatta qui di seguito a titolo indicativo e non limitativo.

Breve descrizione delle figure

La Figura 1 illustra una vista prospettica di una fase di fabbricazione del materiale sagomato secondo una forma di realizzazione dell?invenzione.

Le Figure 2 e 3 illustrano in forma schematica, rispettivamente, un segmento radiale e un segmento trasversale utilizzabili nel materiale sagomato oggetto della presente invenzione.

La Figura 4 illustra in forma schematica una vista laterale di un disco per freni a disco di tipo ventilato secondo una forma di realizzazione dell?invenzione.

La Figura 5 illustra in forma schematica lo sviluppo su 360? dell?architettura, cosiddetta ?1-1?, di un materiale sagomato secondo una forma di realizzazione dell?invenzione.

La Figura 6 illustra in forma schematica lo sviluppo su 360? dell?architettura, cosiddetta ?7-5?, di un materiale sagomato noto, in cui ciascuno strato presenta un?alternanza di sette segmenti trasversali e cinque segmenti radiali.

La Figura 7 rappresenta un grafico che riporta la percentuale di volume danneggiato vs. la coppia (Nm) di un disco secondo la presente invenzione (?Disco 1-1?) e di un disco secondo l?arte nota (?Disco 7-5?).

Descrizione dettagliata dell?invenzione

? oggetto della presente invenzione un materiale sagomato di forma circolare o anulare comprendente una pluralit? di strati di fibre di carbonio impilati lungo un asse di sovrapposizione Z, denominato anche asse di costruzione Z, in cui ciascuno strato ? formato da una pluralit? di segmenti radiali e segmenti trasversali, e in cui ciascun segmento radiale ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento trasversale e ciascun segmento trasversale ? a sua volta affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento radiale, formando in ciascuno strato un?alternanza di segmenti radiali e segmenti trasversali.

Di preferenza, il materiale sagomato secondo la presente invenzione riguarda un disco per freni a disco, vantaggiosamente un disco di tipo ventilato.

Si ? sorprendentemente trovato che una tale architettura, denominata ?1-1?, in cui un segmento radiale ? alternato a un segmento trasversale a formare ciascuno strato del materiale sagomato, aumenta sia la resistenza dei trascinamenti ? conferita nello specifico dai segmenti radiali ? sia la resistenza a flessione ? conferita nello specifico dai segmenti trasversali. In particolare, si ? sorprendentemente trovato che nella suddetta architettura ?1-1? le fibre dei segmenti trasversali sono effettivamente parallele al carico flessionale, quindi pi? efficienti. Di conseguenza, l?evenienza di cricche o fratture all?interno del materiale sagomato risulta drasticamente ridotta, rendendo il materiale sagomato particolarmente idoneo per impieghi in cui ? desiderata, tre le altre caratteristiche, anche un?elevata resistenza a flessione, per esempio come disco in sistemi frenanti di macchine sportive e ad alte prestazioni.

Inoltre, si ? sorprendentemente trovato che in dischi per freni a disco di tipo ventilato secondo la presente invenzione, la resistenza a flessione ? garantita da un minor numero di strati nella cartella del disco.

Un primo vantaggio legato a tale caratteristica riguarda la possibilit? di aumentare lo spessore usurabile del disco e di conseguenza incrementare la vita utile del disco stesso, mantenendo inalterato lo spessore della cartella a inizio ciclo vita.

Un ulteriore vantaggio legato a tale caratteristica riguarda la possibilit? di ridurre lo spessore della cartella a inizio ciclo vita del disco, mantenendo inalterato lo spessore usurabile, e quindi di incrementare il numero dei fori di ventilazione e lo scambio termico del disco grazie al maggior spazio disponibile per la ventilazione. Anche grazie a una migliore dispersione del calore, il disco secondo la presente invenzione si presta per essere impiegato in sistemi frenanti di macchine sportive e ad alte prestazioni.

Con riferimento alle figure, il materiale sagomato oggetto della presente invenzione ? indicato, nella sua totalit?, con il numero di riferimento 1.

Il materiale sagomato 1 comprende una pluralit? di strati 2, 3, 4, 5 di fibre di carbonio, tali strati essendo impilati lungo un asse di sovrapposizione Z, denominato anche asse di costruzione Z, ad esempio mostrato verticale in Figura 1. Per semplicit? raffigurativa, in Figura 1 sono illustrati quattro strati 2, 3, 4, 5, ma tale numero di strati ? puramente esemplificativo e non ? da intendersi limitante ai fini della presente invenzione.

Nella presente descrizione, a meno che ci? non sia specificato diversamente, i termini ?radiale?, ?assiale?, ?angolarmente?, ?circonferenziale? saranno sempre intesi rispetto all?asse di sovrapposizione Z.

Secondo una variante realizzativa, detto asse di sovrapposizione Z ? orientato parallelamente ad un asse di rotazione del materiale sagomato 1 o del disco per freni a disco, durante il suo utilizzo.

Ciascuno strato 2, 3, 4, 5 comprende una pluralit? di segmenti 6, 7 affiancati e uniti tra loro a formare detto strato, i segmenti di ciascuno strato 2, 3, 4, 5 comprendendo segmenti radiali 6 e segmenti trasversali 7.

I segmenti radiali 6 sono segmenti in cui le fibre di carbonio sono prevalentemente orientate in una direzione radiale R rispetto all?asse di sovrapposizione Z, oppure orientate circa parallelamente alla direzione radiale R. I segmenti trasversali 7 sono segmenti in cui le fibre di carbonio sono prevalentemente indirizzate in una direzione I incidente la direzione radiale R. A tale riguardo, le schematizzazioni di Figura 2 e Figura 3 mostrano, rispettivamente, gli orientamenti delle fibre di carbonio in una direzione radiale e in una direzione trasversale su rispettivi segmenti 6 e 7.

In una forma di realizzazione preferita, la direzione incidente I ? sostanzialmente ortogonale rispetto alla direzione radiale R.

Vantaggiosamente, almeno una parte di detti segmenti 6, 7 ? in forma di settore circolare o di arco di corona circolare, come illustrato per esempio in Figura 1.

Preferibilmente, la larghezza circonferenziale di detti settori circolari o archi di corona circolare ? compresa nell?intervallo 60-90?, preferibilmente 60-80?, preferibilmente 65-72?, ad esempio circa 68?.

In una forma di realizzazione dell?invenzione, tutti i segmenti 6, 7 presentano sostanzialmente la medesima forma. Preferibilmente, tutti i segmenti 6, 7 presentano la medesima larghezza circonferenziale.

In una forma di realizzazione preferita, ciascun segmento comprende prevalentemente oppure esclusivamente fibre di carbonio unidirezionali, disposte nella direzione radiale R oppure nella direzione incidente I a seconda che si tratti di segmento radiale 6 o segmento trasversale 7.

In una forma di realizzazione preferita, rispetto all?asse di sovrapposizione Z, i segmenti di uno strato 2 sono sfalsati angolarmente rispetto ai segmenti di uno strato 3 attiguo in modo tale che le zone di unione 8 tra i segmenti non si sovrappongano attraverso lo spessore S del materiale sagomato 1.

In una forma di realizzazione dell?invenzione, rispetto all?asse di sovrapposizione Z, ciascun segmento radiale 6 di uno strato 2 si sovrappone in parte con un segmento radiale 6 e in parte con un segmento trasversale 7 di uno strato 3 attiguo. In accordo con questa forma di realizzazione, ciascun segmento radiale 6 di uno strato 2 si sovrappone con un segmento radiale 6 di uno strato 3 attiguo per una porzione pari al 5%-50%, preferibilmente pari al 10%-40% o al 15%-35%, della sua larghezza circonferenziale, e con un segmento trasversale 7 dello strato 3 attiguo per una porzione pari al 50%-95%, preferibilmente pari al 60%-90% o al 65%-85%.

Analogamente, in una forma di realizzazione dell?invenzione, rispetto all?asse di sovrapposizione Z, ciascun segmento trasversale 7 di uno strato 2 si sovrappone in parte con un segmento trasversale 7 e in parte con un segmento radiale 6 di uno strato 3 attiguo. In accordo con questa forma di realizzazione, ciascun segmento trasversale 7 di uno strato 2 si sovrappone con un segmento trasversale 7 di uno strato 3 attiguo per una porzione pari al 5%-50%, preferibilmente pari al 10%-40% o al 15%-35%, della sua larghezza circonferenziale, e con un segmento radiale 6 dello strato 3 attiguo per una porzione pari al 50%-95%, preferibilmente pari al 60%-90% o al 65%-85%.

In una forma di realizzazione (non illustrata), almeno un segmento di uno strato 2 potrebbe essere parzialmente sovrapposto ad almeno un altro segmento che lo affianca in una direzione circonferenziale.

Vantaggiosamente, in ciascuno strato 2, 3, 4, 5, il numero di segmenti radiali 6 ? uguale al numero di segmenti trasversali 7.

In una forma di realizzazione dell?invenzione, i segmenti 6, 7 si sviluppano a spirale attorno all?asse di costruzione Z in modo sostanzialmente continuo attraverso la pluralit? di strati 2, 3, 4, 5 di fibre di carbonio. In questo caso, gli strati 2, 3, 4, 5 sono rappresentati da delle spire. In accordo con questa forma di realizzazione, preferibilmente, ciascuna spira ha una inclinazione compresa nell?intervallo tra 1? e 10?, preferibilmente tra 1? e 5?, ad esempio di circa 1?, rispetto ad un asse ortogonale all?asse di costruzione Z.

Nella presente descrizione, si fa riferimento indistintamente a strati e spire. Pertanto, quando i segmenti 6, 7 si sviluppano a formare una spirale, ? da intendersi che gli strati 2, 3, 4, 5 sono delle spire.

In una forma di realizzazione preferita, il numero di strati 2, 3, 4, 5 di fibre di carbonio o di spire ? compreso nell?intervallo tra 10 e 50, preferibilmente tra 18 e 40, ad esempio tra 20 e 35 oppure tra 24 e 30. In una forma di realizzazione specifica, il numero di strati o di spire ? compreso tra 21 e 26.

A titolo puramente esemplificativo, ciascuno di detti strati 2, 3, 4, 5 di fibre di carbonio pu? avere uno spessore compreso tra 0,5 mm e 3 mm, ad esempio pari a circa 1,25 mm o 1,5 mm.

A puro titolo di esempio, lungo l?asse di sovrapposizione Z il materiale sagomato 1 potrebbe avere uno spessore S pari o superiore a circa 5 millimetri, per esempio pari o superiore a circa 25 millimetri, per esempio compreso tra circa 25 millimetri e circa 300 millimetri, per esempio 28 millimetri, 32 millimetri, 38 millimetri o 40 millimetri.

In una forma di realizzazione dell?invenzione, almeno una parte di dette fibre di carbonio, preferibilmente tutte le fibre di carbonio, sono derivate da fibre di poliacrilonitrile ossidate. Ad esempio, dette fibre sono prodotte dall?azienda SGL Carbon SE con il nome commerciale Panox?.

In una forma di realizzazione preferita, il materiale sagomato 1 comprende una matrice carboniosa all?interno della quale ? inglobata almeno una parte di dette fibre di carbonio. Con l?espressione ?matrice carboniosa? si intende una matrice composta per almeno il 50% da carbonio.

In una forma di realizzazione dell?invenzione, il materiale sagomato 1 comprende carburo di silicio (SiC) ottenuto per reazione di parte del carbonio (C) delle fibre di carbonio e/o della matrice carboniosa di detto materiale sagomato 1 con almeno parte di silicio (Si) infiltrato nel materiale sagomato 1. Preferibilmente, detto carburo di silicio (SiC) ? disposto a ponte tra strati 2, 3, 4, 5 di fibre di carbonio adiacenti.

Preferibilmente, il materiale sagomato 1 possiede una porosit? residua inferiore al 5%, ad esempio pari o inferiore al 3%. Di preferenza, il valore di tale porosit? residua ? considerato per un materiale sagomato 1 comprendente zone di carburo di silicio (SiC), nello specifico al termine di almeno una fase di infiltrazione con silicio (Si).

In una forma di realizzazione preferita dell?invenzione, detto materiale sagomato 1 ? un disco per freni a disco di tipo ventilato, illustrato a titolo prettamente esemplificativo in Figura 4.

Il disco ventilato in Figura 4 ? indicato, nella sua totalit?, con il numero di riferimento 11. Detto disco ventilato comprende una prima cartella 12 e una seconda cartella 13, che costituiscono nel loro insieme la cosiddetta fascia di frenatura. Detta prima cartella 12 ? delimitata da una superficie esterna 14 e una superficie interna 15 e possiede uno spessore y che si estende tra dette due superfici 14, 15. Analogamente, detta seconda cartella 13 ? delimitata da una superficie esterna 16 e una superficie interna 17 e possiede uno spessore y che si estende tra dette due superfici 16, 17.

Dette superfici esterne 14, 16 definiscono opposte superfici di frenatura destinate a cooperare con la pastiglia di un freno a disco. Dette superfici di frenatura 14, 16 sono soggette a usura.

Lo spessore y di ciascuna cartella 12, 13 ? dato dalla somma di due quote rappresentate dallo ?spessore minimo K? ammissibile per una cartella e dallo ?spessore usurabile (y-K)?. Con l?espressione ?spessore minimo K? si intende lo spessore minimo ammissibile per una cartella usurata, cio? consumata per effetto dello sfregamento da parte della superficie di frenatura contro la pastiglia di un freno a disco, senza che il disco presenti cedimenti strutturali. In altre parole, lo ?spessore minimo K? ? lo spessore della cartella usurata a fine ciclo vita del disco. Lo ?spessore usurabile (y-K)? ? lo spessore che viene usurato, ovvero consumato, con il tempo. Quest?ultimo assume valore variabile. ? auspicabile che lo ?spessore minimo K? sia il pi? piccolo possibile, al fine di garantire una maggiore vita utile del disco ventilato.

Vantaggiosamente, lo ?spessore minimo K? delle cartelle 12, 13 di un disco 11 secondo la presente invenzione ? formato da tre dei suddetti strati impilati lungo l?asse di sovrapposizione Z. Si ? infatti sorprendentemente trovato che la resistenza a flessione delle cartelle 12, 13 ? garantita dalla sovrapposizione di soli tre strati. A tale proposito si fa riferimento alla Figura 5, che mostra come la sovrapposizione di tre strati permetta di avere in ciascun punto lungo un asse ortogonale all?asse di sovrapposizione Z almeno un segmento trasversale in grado di conferire al disco la resistenza a flessione desiderata.

Al contrario, nei dischi noti la resistenza a flessione delle cartelle ? garantita con un numero maggiore di strati. Per esempio, nei dischi che presentano una architettura ?7-5? data dall?alternanza di sette segmenti trasversali 6 e cinque segmenti radiali 5 in ciascuno strato e illustrata in Figura 6, la resistenza a flessione delle cartelle ? garantita dalla sovrapposizione di quattro strati. Quindi lo ?spessore minimo K? ammissibile per una cartella di un disco con architettura ?7-5? ? necessariamente pi? elevato.

Come evidente dal grafico di Figura 7, un disco avente architettura ?1-1? (Disco 1-1), in accordo con la presente invenzione, ? inoltre dotato di maggiore resistenza meccanica rispetto a un disco di pari geometria avente architettura ?7-5? (Disco 7-5). Infatti, all?aumentare della coppia frenante applicata, il volume danneggiato del Disco 1-1 ? inferiore al volume danneggiato del Disco 7-5.

Il materiale sagomato secondo la presente invenzione ? ottenuto con un metodo secondo le rivendicazioni.

Anche laddove non sia espressamente indicato, varianti preferite o accessorie di tale metodo potrebbero comprendere una qualsiasi caratteristica deducibile anche solo in via implicita, dal punto di vista strutturale, dalla descrizione che precede.

Detto metodo comprende le seguenti fasi:

a) impilare una pluralit? di strati 2, 3, 4, 5 di fibre di carbonio, oppure di precursori di dette fibre di carbonio, lungo un asse di sovrapposizione Z a formare un corpo multistrato, ciascuno di detti strati essendo formato da una pluralit? di segmenti radiali 6 e segmenti trasversali 7, in cui ciascun segmento radiale 6 ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento trasversale 7 e ciascun segmento trasversale 7 ? a sua volta affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento radiale 6, formando in ciascuno strato un?alternanza di segmenti radiali 6 e segmenti trasversali 7;

b) sottoporre il corpo multistrato ottenuto nella fase a) a un trattamento di densificazione termico o termochimico, in modo da ottenere il materiale sagomato 1, 11;

c) opzionalmente, infiltrare il materiale sagomato 1, 11 ottenuto nella fase b) con un agente infiltrante, ad esempio silicio (Si) o carburo di silicio (SiC).

In una forma di realizzazione dell?invenzione, detta fase a) comprende anche una fase di agugliatura di detti strati 2, 3, 4, 5 impilati.

In una forma di realizzazione, la fase a) comprende una fase di disporre i segmenti 6, 7 a spirale attorno all?asse di costruzione Z in modo sostanzialmente continuo attraverso la pluralit? di strati 2, 3, 4, 5 di fibre di carbonio.

In una forma di realizzazione, detto agente infiltrante comprende silicio (Si). In accordo con questa forma di realizzazione, durante detta fase c), parte del silicio (Si) infiltrato reagisce con parte del carbonio (C) delle fibre di carbonio e/o della matrice carboniosa del materiale sagomato 1, 11 a formare carburo di silicio (SiC).

In una forma di realizzazione preferita, la fase di agugliatura nella fase a) potrebbe comprendere una o pi? fasi di trasporre, ad esempio tramite aghi sagomati, le fibre di carbonio oppure i precursori di tali fibre di carbonio attraverso lo spessore S dei diversi strati 2, 3, 4, 5 del materiale sagomato, formando una struttura tridimensionale intrecciata.

? opportuno precisare che, nella fase a), gli strati 2, 3, 4, 5 potrebbero comprendere sia fibre di carbonio (vale a dire fibre gi? carbonizzate) oppure precursori di tali fibre (ad esempio fibre di poliacrilonitrile ossidate) che si tramutano in fibre di carbonio durante un'opzionale fase di carbonizzazione a valle della fase a).

In accordo con diverse forme di realizzazione, durante la fase b), il trattamento di densificazione ? condotto con metodiche di diverso tipo.

Una prima metodica ? la CVD (Chemical Vapour Deposition) o CVI (Chemical Vapour Infiltration), a seconda che si abbia solo un rivestimento o un?infiltrazione del carbonio sotto forma di vapore. Tipicamente, se il materiale ? fibroso e presenta quindi un?elevata porosit?, si parla di Chemical Vapour Infiltration (CVI). Queste metodiche prevedono l?utilizzo di miscele di idrocarburi (ad esempio metano e propano) e l?esposizione del materiale da trattare a tali miscele ad elevate temperature e basse pressioni. Le temperature di esercizio sono nell?ordine di 900-1200?C, preferibilmente 1000-1100?C e si opera a pressioni minori di 300 mbar, preferibilmente di qualche decina di mbar. Le miscele di idrocarburi decompongono formando carbonio elementare che viene quindi depositato o infiltrato nella matrice del materiale da trattare. Questa metodica, che richiede l?utilizzo di forni appositamente dedicati, prevede la deposizione sulle fibre di uno strato sottile (tipicamente qualche micron), per cui per ottenere la densificazione voluta sono necessari vari cicli di infiltrazione e ricoprimenti complessivi sulle fibre superiori alla decina di micron (tipicamente 10-20 micron).

Una diversa metodica, nota come LPI (Liquid Polymer Infiltration) o PIP (Polymer Infiltration and Pyrolysis) prevede l?infiltrazione della matrice del materiale da trattare con un polimero liquido ed il successivo trattamento termico ad alta temperatura (pirolisi) che provoca la carbonizzazione del polimero depositato sulle fibre di carbonio. Tale metodica viene eseguita immergendo una o pi? preforme in un bagno di polimero liquido all?interno di un?autoclave. Preferibilmente, la fase di infiltrazione ? condotta a una pressione compresa tra 50 e 500 mbar e una temperatura compresa tra 20 e 50?C, preferibilmente temperatura ambiente. La preforma viene lasciata in immersione per un tempo compreso preferibilmente tra 10 e 120 minuti, ad esempio tra 15 e 45 minuti. In seguito all?infiltrazione, il polimero viene curato ad una temperatura funzione del materiale utilizzato. Infine, il materiale viene pirolizzato in ambiente inerte ad una temperatura preferibilmente compresa tra 700 e 1000?C, ad esempio compresa tra 850?C e 950?C, per convertire la matrice polimerica in carbonio. Anche in questo caso sono necessari vari passaggi di infiltrazione e pirolisi prima di ottenere un?opportuna densificazione della preforma. L?intero processo viene ripetuto tipicamente un minimo di tre volte fino al raggiungimento della densit? desiderata.

In accordo con una forma di realizzazione preferita dell?invenzione, durante la fase c), nel materiale sagomato viene infiltrato silicio mediante un processo di LSI (liquid silicon infiltration), durante il quale il silicio ? portato a una temperatura superiore alla sua temperatura di fusione in modo tale da fondere e infiltrarsi per capillarit? in detto materiale sagomato. Detto processo ? condotto in una apposita camera di trattamento.

In accordo con questa forma di realizzazione, il materiale sagomato viene appoggiato su uno strato o letto di silicio, preferibilmente in polvere, ad esempio attraverso setti porosi come feltri, elementi di legno pirolizzato o pioletti.

Detta camera di trattamento ? introdotta in un?apposita fornace di tipo convenzionale, che viene riscaldata ad una temperatura preferibilmente superiore a 1410?C, pi? preferibilmente compresa tra 1420?C e 1700?C, ad esempio a circa 1500?C. A queste temperature il silicio fonde, risale per capillarit? all?interno dei pori del materiale sagomato e reagisce almeno parzialmente con parte del carbonio delle fibre di carbonio e/o della matrice carboniosa a formare carburo di silicio (SiC).

Sia il riscaldamento alla temperatura di trattamento che il successivo raffreddamento vengono condotti in modo graduale. Ad esempio, si possono impiegare fino a 8 o pi? ore per arrivare ad una temperatura di trattamento di circa 1500?C ed un tempo analogo per raffreddare la pastiglia infiltrata.

Preferibilmente, detto processo di infiltrazione con silicio ? condotto a una pressione ridotta compresa tra 20 mbar e 150 mbar, pi? preferibilmente tra 80 mbar e 120 mbar.

Vantaggiosamente, il procedimento ed il materiale sagomato oggetto della presente invenzione possono essere implementati con grande semplicit? in qualsiasi linea produttiva esistente, soprattutto in virt? delle relative semplicit? costruttive.

Vantaggiosamente, il procedimento ed il materiale sagomato oggetto della presente invenzione permettono di conseguire notevoli economie di fabbricazione, in virt? del fatto che specifiche lavorazioni non necessitano di macchinari supplementari o aggiuntivi rispetto a quelli normalmente previsti.

Alle forme di realizzazione del procedimento e del materiale sagomato suddetti, un tecnico del ramo, al fine di soddisfare esigenze specifiche, potrebbe apportare varianti o sostituzioni di elementi con altri funzionamenti equivalenti. Anche tali varianti sono contenute nell?ambito di tutela come definito dalle seguenti rivendicazioni. Inoltre ciascuna variante descritta come appartenente ad una possibile forma di realizzazione ? realizzabile indipendentemente dalle altre varianti descritte.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Materiale sagomato (1, 11) avente forma circolare o anulare e comprendente una pluralit? di strati (2, 3, 4, 5) di fibre di carbonio impilati lungo un asse di sovrapposizione (Z),

in cui ciascuno strato (2, 3, 4, 5) comprende una pluralit? di segmenti radiali (6) e segmenti trasversali (7) affiancati e uniti tra loro a formare detto strato, in cui i segmenti radiali (6) sono segmenti in cui le fibre di carbonio sono orientate prevalentemente in una direzione radiale (R) rispetto all?asse di sovrapposizione (Z), e i segmenti trasversali (7) sono segmenti in cui le fibre di carbonio sono orientate prevalentemente in una direzione (I) incidente detta direzione radiale,

in cui detto materiale sagomato (1, 11) ? caratterizzato dal fatto che ciascun segmento radiale (6) ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento trasversale (7) e ciascun segmento trasversale (7) ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento radiale (6), formando in ciascuno strato (2, 3, 4, 5) un?alternanza di segmenti radiali (6) e segmenti trasversali (7).

2. Materiale sagomato (1, 11) secondo la rivendicazione 1, in cui, rispetto all?asse di sovrapposizione (Z), i segmenti (6, 7) di uno strato sono sfalsati angolarmente rispetto ai segmenti (6, 7) di uno strato attiguo in modo tale che le zone di unione (8) tra i segmenti non si sovrappongano attraverso lo spessore (S) di detto materiale sagomato (1, 11).

3. Materiale sagomato (1, 11) secondo la rivendicazione 1 o 2, in cui i segmenti (6, 7) si sviluppano a spirale attorno all?asse di sovrapposizione (Z) in modo sostanzialmente continuo attraverso la pluralit? di strati (2, 3, 4, 5) di fibre di carbonio.

4. Materiale sagomato (1, 11) secondo la rivendicazione 3, in cui ciascuno strato (o spira) ha una inclinazione compresa nell?intervallo tra 1? e 10?, preferibilmente tra 1? e 5?, ad esempio di circa 1?, rispetto ad un asse ortogonale all?asse di sovrapposizione (Z).

5. Materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il numero di strati (2, 3, 4, 5) ? compreso nell?intervallo tra 18 e 40, preferibilmente tra 20 e 35 oppure tra 24 e 30 oppure tra 21 e 26.

6. Materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la direzione incidente (I) ? sostanzialmente ortogonale alla direzione radiale (R).

7. Materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui i segmenti (6, 7) hanno la forma di settore circolare oppure di arco di corona circolare di larghezza circonferenziale compresa nell?intervallo 60-90?, ad esempio di circa 68?.

8. Materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui ciascun segmento (6, 7) comprende prevalentemente oppure esclusivamente fibre di carbonio unidirezionali, disposte nella direzione radiale (R) oppure nella direzione incidente (I).

9. Materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui almeno una parte delle fibre di carbonio, preferibilmente tutte le fibre di carbonio, sono derivate da fibre di poliacrilonitrile ossidate, ad esempio fibre di Panox?.

10. Materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?asse di sovrapposizione (Z) ? orientato parallelamente ad un asse di rotazione del materiale sagomato (1, 11).

11. Materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente carburo di silicio (SiC) ottenuto per reazione di parte del carbonio (C) di dette fibre di carbonio e/o di una matrice carboniosa di detto materiale sagomato (1, 11) con almeno parte di silicio (Si) infiltrato in detto materiale sagomato (1, 11), preferibilmente il carburo di silicio (SiC) essendo disposto a ponte tra strati di fibre di carbonio adiacenti.

12. Materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto materiale sagomato (1, 11) possiede una porosit? residua inferiore al 5%, ad esempio pari o inferiore al 3%.

13. Materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, essendo un disco per freni a disco, ad esempio di tipo ventilato.

14. Materiale sagomato (1, 11) secondo la rivendicazione 13, in cui detto disco per freni a disco ? di tipo ventilato e comprende una fascia di frenatura comprendente due cartelle (12, 13) le cui superfici esterne (14, 16) definiscono opposte superfici di frenatura destinate a cooperare con la pastiglia di un freno a disco, in cui ciascuna di dette cartelle (12, 13) ha uno spessore (y) definito come la somma tra ?spessore minimo? (K) e ?spessore usurabile? (y-K), detto ?spessore minimo? (K) essendo pari allo spessore di tre strati (2, 3, 4) e detto ?spessore usurabile? (y-K) essendo variabile.

15. Metodo per la realizzazione del materiale sagomato (1, 11) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente le seguenti fasi:

a) impilare una pluralit? di strati (2, 3, 4, 5) di fibre di carbonio, oppure di precursori di dette fibre di carbonio, lungo un asse di sovrapposizione (Z) a formare un corpo multistrato, ciascuno di detti strati (2, 3, 4, 5) essendo formato da una pluralit? di segmenti radiali (6) e segmenti trasversali (7), in cui ciascun segmento radiale (6) ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento trasversale (7) e ciascun segmento trasversale (7) ? affiancato e unito, da entrambi i lati, a un segmento radiale (6), formando in ciascuno strato (2, 3, 4, 5) un?alternanza di segmenti radiali (6) e segmenti trasversali (7);

b) sottoporre il corpo multistrato ottenuto nella fase a) a un trattamento di densificazione termico o termochimico, in modo da ottenere detto materiale sagomato (1, 11);

c) opzionalmente, infiltrare il materiale sagomato (1, 11) ottenuto nella fase b) con un agente infiltrante, ad esempio silicio (Si) o carburo di silicio (SiC).

16. Metodo secondo la rivendicazione 15, in cui detta fase a) comprende una fase di disporre i segmenti radiali (6) e i segmenti trasversali (7) a spirale attorno all?asse di sovrapposizione (Z) in modo sostanzialmente continuo attraverso la pluralit? di strati (2, 3, 4, 5) di fibre di carbonio.

17. Procedimento secondo la rivendicazione 15 o 16, in cui detto agente infiltrante comprende silicio (Si) e durante detta fase c) parte del silicio (Si) infiltrato reagisce con parte del carbonio (C) delle fibre di carbonio e/o di una matrice carboniosa di detto materiale sagomato (1, 11) a formare carburo di silicio (SiC).