KR19990082118A - How to retrofit your brakes - Google Patents

Abstract

항공기 브레이크는 탄소 치밀화를 위한 탄소 공급원으로서 액체 탄소 전구체를 사용하는 신속 화학 증착 방법에 의해 개장된다. 상기 방법을 수행하는 데에는 유도 및 저항 가열 수단이 사용된다.Aircraft brakes are retrofitted by rapid chemical vapor deposition methods using liquid carbon precursors as carbon sources for carbon densification. Induction and resistance heating means are used to carry out the method.

Description

브레이크를 치밀화하여 개장하는 방법How to retrofit your brakes

이러한 문제를 해결하기 위한 한가지 접근책이 미국 특허 제4,472,454호(1984. 9. 18; Houdayer 등)에 개시되어 있으며, 상기 특허의 내용을 본 명세서에서 참조한다. 이 특허에서, 예비성형체는 반응 용기 내에 위치하여 전구체 액체로 덮인다. 반응 용기 외측의 코일은 예비성형체를 유도 가열하는 데 사용된다. 예비성형체는 액체 전구체를 비등시키기에 충분한 고온으로 가열되고 액체가 비등할 때 발생된 증기를 열분해 시킨다. 본 발명자들은 액체가 예비성형체를 그 외부에서 냉각시켜서 예비성형체의 두께에 걸쳐 열 구배를 생성하는 것을 이론화했다. 예비성형체의 내부는 비등 액체에 의해 냉각되지 않기 때문에 증기를 열분해 하기에 충분한 고온으로 된다. 이 방식에서, 치밀화는 예비성형체의 내부에서 우선적으로 일어난다. 전체 치밀화는 내부에서 외부로 가면서 일어난다. 따라서, 치밀화는 외부의 구멍들이 막히게 되어 예비성형체 내부의 치밀화를 방해하는 것과는 무관하게 높은 속도로 수행될 수 있다.One approach to solving this problem is disclosed in US Pat. No. 4,472,454 (September 18, 1984; Houdayer et al.), The contents of which are incorporated herein by reference. In this patent, the preform is located in the reaction vessel and covered with the precursor liquid. Coils outside the reaction vessel are used to induction heat the preform. The preform is heated to a high temperature sufficient to boil the liquid precursor and pyrolyzes the steam generated when the liquid boils. We theorized that the liquid cooled the preform externally to produce a thermal gradient over the thickness of the preform. Since the interior of the preform is not cooled by the boiling liquid, it is at a high temperature sufficient to pyrolyze the steam. In this way, densification occurs preferentially inside the preform. Full densification takes place from inside to outside. Therefore, densification can be carried out at a high speed irrespective of whether the holes in the outside are clogged to prevent densification inside the preform.

상기 미국 특허 제4,472,454호에 개시된 치밀화 공정이 예비성형체를 치밀화하는 데 소요되는 시간을 감소시키기는 하지만 몇가지 점에서 상기 공정을 개선할 필요가 있다.Although the densification process disclosed in U.S. Patent No. 4,472,454 reduces the time required to densify the preform, there are some points that need to be improved.

먼저, 예비성형체의 치밀화 시에 유도 코일을 예비성형체의 형상에 맞추는 것이 바람직하다. 또한, 예비성형체를 가능한 한 유도 코일에 근접시키는 것이 바람직하다. 이들 요건은 예비성형체의 균일성 및 효율적인 가열을 제공하는 데 중요하다. 균일 가열은 바람직한 치밀화를 제공하는 데 중요하다.First, it is preferable to match the induction coil to the shape of the preform at the time of densification of the preform. It is also desirable to bring the preform as close to the induction coil as possible. These requirements are important for providing uniformity and efficient heating of the preform. Uniform heating is important to provide the desired densification.

상기 요구들을 만족시키기 위해 Houdayer 등의 장치를 조정하는 데에는 치밀화 될 부품의 형상에 기초하여 코일을 재형상화 할 필요가 있다. 또한, 각 부품에 맞게 반응 용기 및 코일을 재형상화 할 필요가 있다. 이러한 요구를 만족시키는 것은 비용 또는 시간 소모적이기 때문에 바람직하지 않다. 또한, 본 발명자들은 반응 용기가 예비성형체에 너무 근접한 경우에는 소정의 온도 구배를 생성하는 데 필요한 액체의 비등에 기인한 냉각이 일어나지 않는 것을 발견하였다. 반응 용기의 벽이 예비성형체에 너무 근접한 경우에는 "베이퍼 로크(vapor lock)"라는 현상이 일어날 수 있다. 베이퍼 로크 시에, 증기는 반응 용기의 벽과 예비성형체 사이의 일부 지점에서 생성되어 액체를 변위시킨다. 예비성형체로부터 멀리 일어나는 대류열 전달은 상기 지점에서 크게 감소되어 고온 지점을 생성하고 예비성형체의 외부에 침전물을 형성하게 된다. 그 결과, 부품이 균일하지 않게 치밀화 된다.Adjusting a device such as Houdayer to meet these needs requires reshaping the coil based on the shape of the part to be densified. In addition, it is necessary to reshape the reaction vessel and the coil for each component. Meeting these needs is undesirable because it is costly or time consuming. In addition, the inventors have found that when the reaction vessel is too close to the preform, cooling due to the boiling of the liquid required to produce the desired temperature gradient does not occur. If the walls of the reaction vessel are too close to the preform, a phenomenon called "vapor lock" can occur. In vapor lock, steam is produced at some point between the wall of the reaction vessel and the preform to displace the liquid. Convective heat transfer away from the preform will be greatly reduced at this point, creating a hot spot and forming a precipitate outside of the preform. As a result, the parts are densified unevenly.

여기에 개시된 항공기용 탄소-탄소 복합 브레이크를 개장하는 방법은 처리 시간을 예를 들어 48시간 이하로 크게 감소시키게 되며, 그 결과로 저비용의 효과적인 탄소-탄소 부품을 만들 수 있다. 특히, 이 공정은 탄소 항공기 브레이크의 제조 및 이들 브레이크의 재치밀화 또는 개장에 유리하다. 또한, 이러한 화학 증착(CVD) 공정은 항공기에 사용하기 위한 것으로 인정된 원래 설비의 브레이크 부품 또는 개장된 브레이크 부품과 유사한 밀도, 예를 들어 침전된 탄소 매트릭스 내에 적어도 1.85 g/cc, 바람직하게는 1.9 g/cc인 밀도와, 마찰 재료용의 적합한 CVD 미세구조, 바람직하게는 실질적으로 비등방성 미세구조를 갖는 치밀화된 탄소 구조물을 만들 수 있다. 이러한 구조적 특징은 탄소 항공기 브레이크 부품용으로 적합한 마찰 마모 특성을 얻는 데 필요하다.The method of retrofitting an aircraft carbon-carbon composite brake disclosed herein significantly reduces processing time, for example up to 48 hours, resulting in low cost effective carbon-carbon parts. In particular, this process is advantageous for the manufacture of carbon aircraft brakes and for re-compensation or retrofitting of these brakes. In addition, such chemical vapor deposition (CVD) processes are similar in density to, for example, brake parts or retrofitted brake parts of original installations that are recognized for use in aircraft, for example at least 1.85 g / cc, preferably 1.9 in a precipitated carbon matrix. It is possible to make densified carbon structures having a density of g / cc and suitable CVD microstructures for friction materials, preferably substantially anisotropic microstructures. These structural features are necessary to achieve suitable friction wear characteristics for carbon aircraft brake components.

본 출원은 1992년 10월 9일자 미국 특허 출원 제07/759,299호의 부분 연속 출원에 대응한다.This application corresponds to a partial consecutive application of US Patent Application No. 07 / 759,299, filed October 9, 1992.

탄소-탄소 복합 브레이크는 F-15 및 F-16 등의 군용 항공기의 안전성, 수명 및 경량화를 위하여 항공기에 사용되고 있다. 현재의 항공기 브레이크 조립체는 탄소-탄소 복합 디스크 부품을 사용하여 조립된 회전자 및 고정자를 포함한다. 탄소 브레이크의 사용 수명은 마모된 브레이크를 개장(refurbishment) 공정으로 처리함으로써 연장시킬 수 있다. 그러나, 기존의 방법으로 개장된 브레이크의 사용 수명은 새 브레이크의 50 내지 80 %에 불과하다. 이러한 것도 마모된 브레이크를 폐기하는 것보다는 개선된 것이지만, 치밀화 된 탄소 재료를 제조하여 원래의 브레이크의 사용 수명에 더 근접하게 할 수 있는 개장 공정을 얻을 수 있으면 원래의 설비 및 마모된 브레이크의 재생 비용도 절약할 수 있다.Carbon-carbon composite brakes are used in aircraft for safety, life and light weight of military aircraft such as F-15 and F-16. Current aircraft brake assemblies include rotors and stators assembled using carbon-carbon composite disc components. The service life of the carbon brakes can be extended by treating the worn brakes in a refurbishment process. However, the service life of brakes retrofitted by conventional methods is only 50-80% of new brakes. This is an improvement over discarding worn brakes, but the cost of rebuilding original equipment and worn brakes can be achieved if a densified carbon material can be manufactured to obtain a retrofit process that can be closer to the service life of the original brake. You can also save.

최신의 화학 증기 침투(CVI) 및 피치 또는 열경화성 수지 주입 저압 침투를 포함하는 탄소-탄소 치밀화 공정은 25일 내지 50일 동안의 장기간의 공정 시간을 필요로 한다. 이러한 공정은 원래 설비의 탄소-탄소 복합 브레이크 디스크의 다공성 탄소 예비성형체를 치밀화하고 마모된 디스크를 개장하는 데 통상적으로 사용되었다. 치밀화는 탄소 브레이크의 외측부에 있는 구멍들이 탄소 브레이크의 내측부에 있는 구멍에 앞서서 충전되지 않도록 서서히 수행되어야 한다. 탄소 브레이크의 외측부에 있는 구멍이 내부 부분의 치밀화 이전에 막히면, 전구체가 탄소 브레이크의 내부 부분에 불충분하게 도달하게 되어 완전히 치밀화되지 못한다.Carbon-carbon densification processes, including state-of-the-art chemical vapor infiltration (CVI) and low pressure infiltration of pitch or thermoset resins, require long process times of 25 to 50 days. This process was originally used to densify the porous carbon preforms of the original carbon-carbon composite brake discs and to retrofit the worn discs. Densification should be carried out slowly so that the holes in the outside of the carbon brake are not filled before the holes in the inside of the carbon brake. If the hole in the outer part of the carbon brake is blocked before densification of the inner part, the precursor will insufficiently reach the inner part of the carbon brake and will not be fully compacted.

본 발명에 대해서는 첨부 도면을 참조하여 이루어지는 상세한 설명으로부터 명확하게 이해할 수 있다.The present invention can be clearly understood from the detailed description made with reference to the accompanying drawings.

도1은 예비성형체를 치밀화하기 위한 반응기의 개략도.1 is a schematic representation of a reactor for densifying preforms;

도2A는 도1의 반응기 내에 예비성형체를 유지하는 데 사용된 고정구 프레임의 개략도.FIG. 2A is a schematic representation of a fixture frame used to maintain the preform in the reactor of FIG.

도2B는 도1의 반응기에 사용된 코일의 개략도.2B is a schematic representation of the coil used in the reactor of FIG.

도3은 변경된 형상의 코일로 가열된 예비성형체의 개략도.3 is a schematic view of a preform heated with a coil of modified shape;

도4는 저항 가열된 예비성형체의 개략도.4 is a schematic view of a resistance heated preform.

도5는 유도 가열 및 저항 가열 방식으로 가열된 예비성형체의 개략도.5 is a schematic view of a preform heated by induction heating and resistance heating.

도6은 변경된 형상의 코일로 가열된 예비성형체의 개략도.6 is a schematic view of a preform heated with a coil of modified shape;

도7은 다양한 전력 수준에서의 치밀화 형상을 도시한 그래프.7 is a graph showing densified shapes at various power levels.

도8은 시간에 대한 반응기 용기 내의 코일에의 입력 전력의 그래프.8 is a graph of input power to a coil in a reactor vessel over time.

도9는 중실 코어를 갖춘 예비성형체의 개략도.9 is a schematic representation of a preform with a solid core.

본 발명은, 항공기용의 마모된 탄소 브레이크 부품을 개장하기 위한 화학 증착 방법으로서, a) 다공성 구조물을 치밀화하기 위해 적어도 하나의 중심 구역을 포함하는 내부 구역들과 외부 공간에 의해 형성된 구멍들을 갖는 적어도 하나의 마모된 탄소 브레이크 부품을 액체 탄소 전구체 및 적어도 하나의 내부 유도 코일을 내장하도록 구성된 반응기 내에 들어 있는 액체 탄소 전구체 내에 위치시키는 단계와, b) 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역을 액체 탄소 전구체의 분해 온도 이상의 온도로 유도 가열함으로써 액체 탄소 전구체로부터 증기를 형성하고 증기를 내부 구역 안으로 침투시키고 내부 구역 내에 열분해성 탄소를 침전시키는 단계를 포함하며, 개장 후의 마모된 탄소 브레이크 부품은 항공기에 사용되고 있는 탄소 브레이크 부품과 적어도 동일한 크기, 밀도 및 조성을 갖는 미세구조 및 마찰 마모 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 방법을 마련한다.The present invention provides a chemical vapor deposition method for retrofitting worn carbon brake components for an aircraft, the method comprising: a) at least having holes formed by the inner zones and the outer space comprising at least one central zone for compacting the porous structure; Positioning one worn carbon brake component in a liquid carbon precursor contained within a reactor configured to contain a liquid carbon precursor and at least one internal induction coil, and b) placing an inner region of the worn carbon brake component in the liquid carbon precursor. Induction heating to a temperature above the decomposition temperature to form vapor from the liquid carbon precursor, infiltrating the vapor into the interior zone and depositing pyrolytic carbon in the interior zone, wherein the worn carbon brake component after remodeling is the carbon used in the aircraft Brake parts and foe Also provided the same size, it characterized in that it has a microstructure and tribological characteristics of density and composition.

또한, 본 발명은 사용 중에 소실된 탄소를 보충하도록 탄소 브레이크를 저항식으로 가열하는 화학 증착 방법과 저항 및 유도 가열을 복합적으로 사용하여 보충하는 방법을 마련한다. 몇몇 브레이크에서는 이들 화학 증착 방법이 시클로헥산 전구체를 사용하는 대기압에서 약 950 내지 1100 ℃에서 2 내지 3시간 반 동안에 완료될 수도 있다. 침전된 매트릭스 내에서의 적어도 1.85 g/cc, 바람직하게는 1.9 g/cc의 밀도 및 충분한 CVD 미세구조, 바람직하게는 비등방성 CVD 미세구조는 48시간, 바람직하게는 24시간 이하에서 완료되는 공정으로 개장된 탄소 브레이크 부품을 얻을 수도 있다.The present invention also provides a chemical vapor deposition method for resistively heating a carbon brake to replenish carbon lost during use and a method for replenishing a combination of resistance and induction heating. In some brakes, these chemical vapor deposition methods may be completed for 2-3 hours at about 950-1100 ° C. at atmospheric pressure using a cyclohexane precursor. A density of at least 1.85 g / cc, preferably 1.9 g / cc, and sufficient CVD microstructures, preferably anisotropic CVD microstructures, in the precipitated matrix may be completed in 48 hours, preferably 24 hours or less. Refurbished carbon brake parts can also be obtained.

개장에 적합한 항공기용 탄소 브레이크는 복수개의 탄소-탄소 고정자 디스크가 끼워진 복수개의 탄소-탄소 회전자를 구비한 다중 디스크 마찰 브레이크를 포함한다. 마모된 탄소 브레이크 압력판 및 단부판도 개장될 수 있다.Suitable aircraft carbon brakes for retrofit include multiple disk friction brakes with a plurality of carbon-carbon rotors fitted with a plurality of carbon-carbon stator disks. Worn carbon brake pressure plates and end plates can also be retrofitted.

항공기 브레이크의 어떠한 마모된 탄소 표면도 본 발명의 방법에 의해 개장될 수 있다. 적절한 항공기 브레이크는 이 기술분야에 공지되어 있으며, 그 비제한적인 예로는 미국 특허 제3,934,686호(1976. 1. 27; Stimson 등), 제4,613,021호(1986. 9. 23; Lacombe 등), 제4,465,165호(1984. 8. 14; Bok), 제4,511,021호(1985. 4. 16; Grider), 제4,804,071호(1989. 2. 14; Schultz 등), 제4,982,818호(1991. 1. 8; Pigford) 및 제5,143,184호(1992. 9. 1; Snyder 등)가 있으며, 이들 특허는 모두 본 명세서에서 참조하게 된다.Any worn carbon surface of the aircraft brake can be retrofitted by the method of the present invention. Suitable aircraft brakes are known in the art, and non-limiting examples include US Pat. Nos. 3,934,686 (January 27, 1976; Stimson et al.), 4,613,021 (September 23, 1986; Lacombe et al.), 4,465,165. Bok, No. 4,511,021 (April 16, 1985; Grider), No. 4,804,071 (February 14, 1989; Schultz et al.), No. 4,982,818 (July 1, 1991; Pigford) And 5,143,184 (September 1, 1992; Snyder et al.), All of which are incorporated herein by reference.

마모된 탄소 고정자 및 회전자 디스크는 이들을 브레이크 조립체로부터 제거하고 이들을 원래의 두께의 절반으로 연마함으로써 개장된다. 연마된 디스크는 원래의 밀도 및 마모 특성을 복원하도록 화학 증착 방법에 의해 치밀화되거나, 또는 브레이크들이 조립되었을 때 두개의 연마된 디스크가 원래의 디스크 대신에 사용될 수도 있다. 선택적으로, 연마된 디스크들은 함께 접합될 수도 있다. 하나의 개장 디스크를 만들기 위해 두개의 마모된 디스크를 접합하는 방법 중 한가지가 미국 특허 제4,465,165호(1984. 8. 14; Pigford)에 개시되어 있다. 개장 후에, 탄소 디스크를 산화에 대하여 보호하기 위하여 미국 특허 제4,837,073호(1989. 6. 6; McAllister 등)에 개시된 것과 같은 보호성 재료로 처리될 수 있다.Worn carbon stator and rotor disks are retrofitted by removing them from the brake assembly and polishing them to half their original thickness. The polished disc may be densified by chemical vapor deposition to restore the original density and wear characteristics, or two polished discs may be used instead of the original disc when the brakes are assembled. Optionally, the polished disks may be joined together. One method of joining two worn discs to make one retrofit disc is disclosed in US Pat. No. 4,465,165 (August 14, 1984; Pigford). After retrofitting, the carbon disks can be treated with a protective material such as that disclosed in US Pat. No. 4,837,073 (June 6, 1989; McAllister et al.).

도1은 미국 특허 제4,472,454호에 개시된 방법에 따라 신속 치밀화를 수행하는 데 적합한 반응기(100)를 도시한다. 예비성형체를 가열하는 데 코일(104) 등의 유도 코일을 사용하는 경우에는 반응기(100)가 석영, 유리, 알루미늄, 스텐레스강, 세라믹, PMC 또는 이들의 조합으로 된 비자성 재료로 제조되는 것이 바람직하다.1 shows a reactor 100 suitable for carrying out rapid densification according to the method disclosed in US Pat. No. 4,472,454. When using an induction coil such as coil 104 to heat the preform, the reactor 100 is preferably made of a nonmagnetic material of quartz, glass, aluminum, stainless steel, ceramic, PMC, or a combination thereof. Do.

반응기(100)는 예비성형체(도시 생략)가 치밀화되게 되는 공동(102)을 포함한다. 작동 시에, 공동(102)은 적어도 예비성형체(도시 생략)를 덮기에 충분한 전구체 액체로 충전되어 있다. 전구체 액체는 비등하여 예비성형체(도시 생략)가 가열될 수 있는 온도에서 침전되게 되는 증기 함유 물질을 생성하게 되는 임의의 액체이다. 또한, 전구체 액체는 유전체로 되어야 한다. 바람직하게는 시약 액체의 유전 상수는 약 0.5 이상, 바람직하게는 약 1, 더욱 바람직하게는 약 1.5로 되어야 한다. 예비성형체 상에 탄소를 침전시키기 위해서는 시클로펜탄, 시클로헥젠, 헥젠-1, 가솔린, 톨루엔, 메틸 시클로헥산, 시클로헥산, n-헥산 또는 벤젠, 또는 이들의 조합 등의 적절한 비등점을 갖는 탄화수소를 사용할 수 있다.The reactor 100 includes a cavity 102 into which the preform (not shown) is densified. In operation, the cavity 102 is filled with sufficient precursor liquid to cover at least the preform (not shown). The precursor liquid is any liquid that will boil to produce a vapor containing material that will precipitate at a temperature at which the preform (not shown) can be heated. In addition, the precursor liquid should be a dielectric. Preferably the dielectric constant of the reagent liquid should be at least about 0.5, preferably about 1, more preferably about 1.5. To precipitate carbon on the preform, hydrocarbons having an appropriate boiling point, such as cyclopentane, cyclohexene, hexen-1, gasoline, toluene, methyl cyclohexane, cyclohexane, n-hexane or benzene, or combinations thereof, can be used. have.

공동(102) 내에는 유도 코일(104)이 위치한다. 작동 시에, 유도 코일(104)은 전구체 액체에 의해 덮이고, 예비성형체(도시 생략)를 가열하도록 작동한다. 코일(104)은 가열되더라도 전구체 액체와 반응하지 않는 구리 또는 높은 전도성 재료로 제조된다.Within the cavity 102 is an induction coil 104. In operation, the induction coil 104 is covered by the precursor liquid and operates to heat the preform (not shown). The coil 104 is made of copper or a highly conductive material that does not react with the precursor liquid even when heated.

버스(106)들을 통해서 코일(104)에 전기가 제공된다. 버스(106)는 여기서는 구리인 높은 전도성 재료로 제조된다. 수백 내지 수천 암페어의 전류가 예비성형체(도시 생략)를 가열하기에 충분한 전력을 제공하는 데 사용된다. 많은 양의 전류가 사용되기 때문에 버스(106)들은 과도한 가열을 피하기에 충분한 단면적을 가져야 한다. 버스(106)는 이 버스(106) 및 코일(104)을 통해서 냉각수를 운반하도록 물 통로(105)를 내장할 수도 있다.Electricity is provided to the coil 104 via the buses 106. Bus 106 is made of a highly conductive material, here copper. Currents of hundreds to thousands of amperes are used to provide sufficient power to heat the preform (not shown). Because a large amount of current is used, the buses 106 must have a sufficient cross-sectional area to avoid excessive heating. The bus 106 may incorporate a water passage 105 to carry cooling water through the bus 106 and the coil 104.

버스(106)는 전원(도시 생략)에 연결되어 있다. 전원으로는 AC 전원이 사용되었다. 코일(104)의 전압, 전류 및 주파수는 예비성형체의 형상 및 구조 그리고 공지의 유도 가열 장치 설계에 사용하는 예비성형체의 특성에 따라 결정된다. 대개, 전압은 5 내지 750 V 범위에 있게 된다. 주파수는 0.1 내지 300 MHz 범위에 있게 된다.The bus 106 is connected to a power source (not shown). AC power was used as the power source. The voltage, current and frequency of the coil 104 are determined according to the shape and structure of the preform and the properties of the preform used in known induction heating device designs. Usually, the voltage will be in the range of 5 to 750 V. The frequency will be in the range of 0.1 to 300 MHz.

버스(106)는 시일(107)을 통해서 챔버(102) 안에 도입된다. 챔버(102)는 작동 중에 전구체 액체를 내장하고 있으며, 시일(107)은 탄성을 가져야 하고 전구체 액체에 의한 화학적 공격에 대해서도 견뎌야 한다. 반응기(100)로부터 전기적으로 절연된 버스(106)는 도전성 부품으로 제조되어야 한다. 예를 들어, 실리콘 고무를 사용하여 버스(106)가 통과하게 되는 반응기(100)의 개구를 밀봉할 수 있다.Bus 106 is introduced into chamber 102 through seal 107. The chamber 102 contains the precursor liquid during operation, and the seal 107 must be elastic and withstand chemical attack by the precursor liquid. Bus 106 electrically isolated from reactor 100 should be made of conductive components. For example, silicone rubber may be used to seal the opening of the reactor 100 through which the bus 106 passes.

버스(106)가 반응기(100)의 하부 부분에 도입되는 것은 편리하게 이루어진다. 버스(106)가 반응기 챔버(102)의 상부 부분에 도입되는 경우에는 시일(107)이 여전히 필요하게 된다. 액체의 방출을 방지할 필요는 없으나 증기가 챔버(102)로부터 방출되는 것은 방지할 필요가 있다. 버스(106)는 특정 시일이 필요 없는 경우에 적층부(136)를 하방으로 이동시킴으로써 챔버(1012)에 도입될 수 있다. 그러나, 버스(106) 내의 전력 손실을 감소시키도록 버스를 가능한 한 짧게 유지하는 것이 바람직하다.It is convenient for the bus 106 to be introduced into the lower portion of the reactor 100. The seal 107 is still needed when the bus 106 is introduced into the upper portion of the reactor chamber 102. It is not necessary to prevent the discharge of the liquid but it is necessary to prevent the vapor from being released from the chamber 102. The bus 106 can be introduced into the chamber 1012 by moving the stack 136 downwards when no particular seal is needed. However, it is desirable to keep the bus as short as possible to reduce power loss in the bus 106.

전구체 액체는 전구체 입구(108)를 통해서 밸브(110)를 거쳐 반응기(100)에 공급된다.The precursor liquid is fed to the reactor 100 via the valve inlet 108 via the precursor inlet 108.

처음에, 챔버(102)는 예비성형체(도시 생략)를 덮기에 적어도 충분한 양의 전구체 액체로 충전되어 있다. 작동 시에, 전구체 액체는 침전 반응 시에 소모되거나 증기로서 반응기(100)로부터 방출되기도 한다. 또한, 전구체 액체(108)는 소실된 전구체 액체를 대체하도록 반응기(100)의 작동 중에 사용될 수도 있다.Initially, chamber 102 is filled with at least a sufficient amount of precursor liquid to cover the preform (not shown). In operation, the precursor liquid may be consumed in the precipitation reaction or released from the reactor 100 as steam. In addition, precursor liquid 108 may be used during operation of reactor 100 to replace lost precursor liquid.

치밀화 작동 중에, 액체 전구체는 구름무늬로 될 수도 있다. 따라서, 밸브(114)는 전구체 액체가 시약 복귀부(112)를 통해서 필터(116)로 유동할 수 있도록 개방되고, 여기서 전구체 액체가 필터링되어 반응기(100) 안으로 복귀 펌핑된다. 필터(116)는 다공성 세라믹 스크린 또는 바람직하게는 목탄 등의 적절한 필터로 될 수 있다.During the densification operation, the liquid precursor may become clouded. Thus, valve 114 is opened to allow precursor liquid to flow through filter return 112 to filter 116 where the precursor liquid is filtered and pumped back into reactor 100. The filter 116 may be a suitable filter, such as a porous ceramic screen or preferably charcoal.

여기에 사용된 시약 액체는 잠재적으로 불연성을 갖고 있다. 따라서, 치밀화 작동을 불활성 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 질소 가스를 사용할 수 있다. 공기 공동(102)을 정화하기 위해서, 밸브(120)를 개방하여 질소가 입구(118)를 통해서 유동할 수 있게 한다. 밸브(124)는 증기 회수 시스템(130)을 더 신속하고 효과적으로 정화시키도록 이를 개방할 수도 있다. 챔버(102) 내의 대기가 질소로 일단 대체되면, 밸브(128)는 질소를 환기 적층부(136) 안에 직접 제공하도록 개방될 수 있다. 이러한 질소의 유동은 공기가 공동(102)으로부터 도달하는 것을 방지하고, 밸브(120, 124)가 폐쇄되게 해준다. 밸브(120, 124)를 폐쇄하면 증기 회수 시스템(130)을 통한 가스의 유동을 감소시킨다. 따라서, 증기 회수 시스템(130)은 더 효과적으로 작동한다.The reagent liquid used here is potentially nonflammable. Therefore, it is preferable to perform the densification operation in an inert atmosphere. For example, nitrogen gas can be used. To purify the air cavity 102, the valve 120 is opened to allow nitrogen to flow through the inlet 118. The valve 124 may open it to purify the vapor recovery system 130 more quickly and effectively. Once the atmosphere in chamber 102 is replaced with nitrogen, valve 128 can be opened to provide nitrogen directly into vent stack 136. This flow of nitrogen prevents air from reaching the cavity 102 and causes the valves 120 and 124 to close. Closing valves 120 and 124 reduces the flow of gas through vapor recovery system 130. Thus, vapor recovery system 130 operates more effectively.

증기 회수 시스템(130)은 기화 액체를 회수하기 위한 공지 형태의 시스템이다. 이러한 시스템은 공정 중에 발생된 폐기물의 양 및 사용되는 전구체의 양을 줄여 준다.Vapor recovery system 130 is a known type of system for recovering vaporized liquid. This system reduces the amount of waste generated during the process and the amount of precursors used.

작동 시에, 탄소 브레이크(도시 생략)는 코일(104)에 근접한 상태로 공동(102) 내에 위치한다. 코일 위치의 예가 도3, 도5 및 도6에 상세하게 도시되어 있다. 탄소 브레이크는 탄소 브레이크를 반응기 및 코일에 대하여 일정한 위치에서 견고하게 유지하도록 지지 고정구 내에 위치하는 것이 바람직하다. 고정구의 정확한 형상은 탄소 브레이크의 형상에 따른다. 이러한 고정구는 임의의 편리한 방식에 의해 립(132) 상에 지지될 수 있다.In operation, a carbon brake (not shown) is located within cavity 102 in close proximity to coil 104. Examples of coil positions are shown in detail in FIGS. 3, 5 and 6. The carbon brake is preferably located in the support fixture to hold the carbon brake firmly in a constant position relative to the reactor and the coil. The exact shape of the fixture depends on the shape of the carbon brake. Such fasteners may be supported on the lip 132 in any convenient manner.

코일의 크기 또는 형상은 탄소 브레이크의 형상에 기초하여 상이하게 하는 것이 바람직하다. 그 이유는 코일(104)이 커넥터(134)에서 버스(106)에 연결되기 때문이다. 커넥터(134)는 버스(106)를 포함하는 전기 회로에 이어진다. 또한, 커넥터는 채널(105)에 의해 형성된 물 유동 회로에 이어진다. 커넥터(134)는 코일(104)의 기부를 버스(106)에 대하여 유지하도록 스크류(도시 생략)용 고정 지점을 허용하는 금속 블록으로 간단하게 될 수도 있다. 물 유동 회로의 연결부는 가요성 O링 또는 다른 적절한 수단에 의해 밀봉될 수 있다. O링의 재료는 물 및 전구체 액체 양자에서의 열화에 대해 저항하는 재료이어야 한다. 슬롯 및 홈 또는 클립 등의 다른 부착 장치도 사용할 수 있다.Preferably, the size or shape of the coil is different based on the shape of the carbon brake. This is because the coil 104 is connected to the bus 106 at the connector 134. The connector 134 is followed by an electrical circuit that includes a bus 106. The connector also follows the water flow circuit formed by the channel 105. The connector 134 may be simplified with a metal block that allows a fixing point for a screw (not shown) to hold the base of the coil 104 relative to the bus 106. The connection of the water flow circuit can be sealed by a flexible O-ring or other suitable means. The material of the O-ring should be a material that resists degradation in both water and precursor liquid. Other attachment devices such as slots and grooves or clips may also be used.

도2A는 도1의 반응기에 사용하기 위한 장착 고정구(200)의 프레임을 도시한다. 고정구(200)는 립(132; 도1) 상에 착좌하기에 적합한 크기의 링(202)을 포함한다. 스크류(203)는 링(202)을 통과한다. 스크류(203)는 고정구(200)를 반응기(100; 도1)에 부착하도록 립(132)에 나사 결합된다 (도1). 이와 달리, 스크류(203)는 립(132) 바로 위에 위치할 수도 있다 (도1). 이 방식에서, 스크류(203)는 립(132)에 대한 고정구(200)의 수직 각을 조정하도록 작용한다.FIG. 2A shows a frame of mounting fixture 200 for use in the reactor of FIG. 1. Fixture 200 includes a ring 202 of a size suitable for seating on lip 132 (FIG. 1). Screw 203 passes through ring 202. Screw 203 is screwed to lip 132 to attach fixture 200 to reactor 100 (FIG. 1) (FIG. 1). Alternatively, screw 203 may be located directly above lip 132 (FIG. 1). In this manner, the screw 203 acts to adjust the vertical angle of the fixture 200 relative to the lip 132.

고정구(200)의 수직 각을 조정할 수 있는 것은 코일(104)이 반응기(100)에 고정식으로 부착되는 경우에 유용하다 (도1). 고정구(200)가 탄소 브레이크를 유지함으로써 고정구(200)의 수직 각을 조정하여 코일(104)에 대한 탄소 브레이크의 위치를 조정하게 된다. 탄소 브레이크가 코일과 동심으로 되게 위치하는 것이 바람직한데, 이에 의해서 탄소 브레이크 또는 코일의 위치를 필요에 따라 조정할 수 있다.Being able to adjust the vertical angle of the fixture 200 is useful when the coil 104 is fixedly attached to the reactor 100 (FIG. 1). The fixture 200 maintains the carbon brake to adjust the vertical angle of the fixture 200 to adjust the position of the carbon brake relative to the coil 104. The carbon brake is preferably located concentrically with the coil, whereby the position of the carbon brake or coil can be adjusted as required.

고정구(200)는 수직 부재(204A, 204B)를 포함한다. 수평 부재(206)는 수직 부재(204A, 204B)들 사이에 걸쳐 있다. 포스트(208)는 수평 부재(206)에 부착되어 있다. 탄소 브레이크는 임의의 편리한 방식으로 포스트(208)에 부착된다. 예를 들어, 탄소 브레이크가 맨드렐 주위에 배열된 경우에 맨드렐을 통과하는 핀은 포스트(108) 안에 삽입되어야 한다. 수직 부재(204A, 204B), 수평 부재(206) 및 포스트(208)가 유도 코일(104)에 근접하게 됨으로써 이들은 (대개 1인 투자율을 갖는) 비자성 재료로 제조되는 것이 바람직하다. 그러나, 이들은 탄소 브레이크에 지지력을 제공하기에 충분히 강한 재료로 되어야 한다. 그 재료로는 유리 에폭시 혼합물을 사용할 수 있다. 포스트(208)가 가열된 탄소 브레이크에 접촉하게 될 수도 있기 때문에 양호한 절연체이고 고온에 견딜 수 있는 재료로 제조되어야 한다. 포스트(208)는 석영으로 제조되는 것이 바람직하다.Fixture 200 includes vertical members 204A, 204B. Horizontal member 206 spans between vertical members 204A, 204B. Post 208 is attached to horizontal member 206. The carbon brake is attached to the post 208 in any convenient way. For example, if a carbon brake is arranged around the mandrel, the pins passing through the mandrel should be inserted into the post 108. The vertical members 204A, 204B, the horizontal member 206 and the post 208 are brought close to the induction coil 104 so that they are preferably made of a nonmagnetic material (usually having a permeability of 1). However, they must be of a material strong enough to provide support to the carbon brakes. As the material, a glass epoxy mixture can be used. Since the post 208 may come into contact with the heated carbon brake, it must be made of a material that is a good insulator and capable of withstanding high temperatures. The post 208 is preferably made of quartz.

탄소 브레이크와 코일(104) 사이의 관계를 적절하게 하기 위해서는 코일(104)을 고정구(200)에 직접 고정하는 것이 바람직하다. 그러면, 코일(104)은 비도전성 핀(210)을 사용하여 수직 부재(204)에 고정될 수 있다.In order to make the relationship between the carbon brake and the coil 104 appropriate, it is desirable to fix the coil 104 directly to the fixture 200. Coil 104 may then be secured to vertical member 204 using non-conductive pin 210.

도2B는 코일(104)을 더 상세하게 도시한다. 선택적으로, 코일(104)은 전기적으로 병렬로 연결된 복수개의 코일 세그먼트(251, 252, 253, 254)로 제조된다. 코일 세그먼트(251 내지 254)는 도전성 로드(260A, 206B)에 연결된다. 코일(104)에 전력을 공급하는 버스(106)는 도전성 로드(260A, 260B)에 연결된다. 도2B에 도시된 것처럼 버스(106)는 도전성 로드(260A, 260B)의 중심에 연결된다. 코일 세그먼트(251 내지 254)는 전원 주위에 대칭으로 배치된다. 그 결과, 큰 전류가 사용되었을 때 현저하게 일어나는 어떠한 전압 강하도 코일(104)의 길이를 따라 평균화된다. 따라서, 탄소 브레이크를 더 균일하게 가열할 수 있게 된다.2B shows the coil 104 in more detail. Optionally, the coil 104 is made of a plurality of coil segments 251, 252, 253, 254 electrically connected in parallel. Coil segments 251-254 are connected to conductive rods 260A, 206B. The bus 106, which powers the coil 104, is connected to the conductive rods 260A, 260B. As shown in Figure 2B, bus 106 is connected to the center of conductive rods 260A, 260B. Coil segments 251-254 are disposed symmetrically around the power source. As a result, any voltage drop that occurs remarkably when a large current is used is averaged along the length of the coil 104. Therefore, the carbon brake can be heated more uniformly.

더 균일한 가열을 제공하기 위하여, 각 코일 세그먼트의 길이를 다르게 선택할 수도 있다. 예를 들어, 코일 세그먼트(252, 253)가 버스(106)로부터 공급된 전력에 더 근접하기 때문에 이들은 코일 세그먼트(251, 254)에 비해 더 많은 터언을 가짐으로써 더 길게 제조될 수 있다. 코일 세그먼트(252, 253)는 버스(106)로부터 임의의 코일 세그먼트(251 내지 254)를 통한 저항이 동일하게 하는 크기를 가질 수 있다.In order to provide more uniform heating, the length of each coil segment may be chosen differently. For example, because coil segments 252 and 253 are closer to the power supplied from bus 106, they can be made longer by having more turns than coil segments 251 and 254. Coil segments 252 and 253 may be sized such that the resistance from bus 106 through any coil segment 251 to 254 is equal.

코일(104)은 공정 중의 중력 효과를 고려하여 이의 길이를 따라 비균일 터언 밀도를 갖도록 설계될 수도 있다. 예를 들어, 비등하는 전구체 액체에 의해 발생된 증기는 탄소 브레이크를 따라 상승하게 된다. 증기의 양 및 속도를 바닥부에 비해 탄소 브레이크의 상부에서 더 크게 할 수 있다. 그 결과, 탄소 브레이크 외부로의 열전달이 상부와 바닥부에서 다르게 된다. 이 영향을 보상하기 위하여, 탄소 브레이크의 상부에 상이한 가열을 제공하도록 코일(104)의 구조를 설계할 수 있다. 예를 들어, 코일의 터언 밀도를 상부에서 작게 하거나 코일과 탄소 브레이크 사이의 공간을 상부에서 작게 할 수 있다.The coil 104 may be designed to have a non-uniform turnaround density along its length, taking into account the effects of gravity in the process. For example, vapor generated by boiling precursor liquid will rise along the carbon brake. The amount and velocity of steam can be made larger at the top of the carbon brakes than at the bottom. As a result, heat transfer outside the carbon brake is different at the top and bottom. To compensate for this effect, the structure of the coil 104 can be designed to provide different heating to the top of the carbon brake. For example, the turn density of the coil can be made smaller at the top, or the space between the coil and the carbon brake can be made smaller at the top.

도3은 반응기(300) 내부의 코일(304)과 예비성형체(302)와의 관계를 도시한다. 예비성형체(302)는 코일(304)의 중심에 위치하고 이들 양자는 전구체 액체(308) 내에 침지되어 있다.3 illustrates the relationship between the coil 304 and the preform 302 inside the reactor 300. The preform 302 is located in the center of the coil 304 and both are immersed in the precursor liquid 308.

유도 가열을 적용하기 위하여, 코일은 피가열 부분에 일치하는 형상을 취한다. 코일의 직경은 피가열 부분의 직경이 작아지는 부분에서 작아질 수 있다. 이와 달리, 코일의 터언 밀도는 가열 대상물이 코일로부터 더 멀리 있게 되는 영역에서 증가할 수도 있다.In order to apply induction heating, the coil has a shape corresponding to the portion to be heated. The diameter of the coil can be smaller at the portion where the diameter of the portion to be heated is smaller. Alternatively, the turn density of the coil may increase in areas where the heating object is further away from the coil.

코일(304)은 예비성형체(302)에 일치하는 형상을 취한다. 이와 달리, 제2코일(306)은 예비성형체(302) 내부에 삽입될 수도 있다. 각 코일을 통한 전류 유동은 각 코일에 의해 발생된 자속이 예비성형체(302)의 위상에 있도록 해야 한다. 바람직하게는, 양 코일(304, 306)은 이들을 통한 전류가 제위상에 있게 되도록 동일 전원에 연결된다. 물론, 도3의 배열은 중공 예비성형체에만 유용하다. 양 코일(304, 306)이 제위치에 있음으로써, 자속은 예비성형체(302)에 걸쳐 더 균일하다. 코일(304)로부터 더 멀리 있어서 코일(304)에 의해 효과적으로 가열되지 않는 예비성형체(302) 구역은 코일(306)에 더 근접하고 이에 의해서 더 효과적으로 가열된다. 이 방식에서, 코일을 각 예비성형체에 맞게 특별히 가공하지 않고도 균일 예비성형체를 가열할 수 있다.The coil 304 takes the shape corresponding to the preform 302. Alternatively, the second coil 306 may be inserted into the preform 302. The current flow through each coil must ensure that the magnetic flux generated by each coil is in phase with the preform 302. Preferably, both coils 304 and 306 are connected to the same power source such that the current through them is in phase. Of course, the arrangement of Figure 3 is only useful for hollow preforms. With both coils 304 and 306 in place, the magnetic flux is more uniform across the preform 302. Areas of the preform 302 that are further away from the coil 304 and not effectively heated by the coil 304 are closer to the coil 306 and thereby more efficiently heated. In this way, the homogeneous preform can be heated without specially processing the coil for each preform.

도4는 예비성형체(402)를 가열하는 또 다른 방법을 도시한다. 여기서, 예비성형체(402)는 바아 또는 로드의 형상을 취한다. 예비성형체(402)는 전극(404)들 사이에 클램핑되어 있다. 예비성형체(402)는 양호한 전기적 기계적 연결을 제공하는 임의의 편리한 수단으로 클램핑된다.4 illustrates another method of heating the preform 402. Here, the preform 402 takes the shape of a bar or rod. The preform 402 is clamped between the electrodes 404. The preform 402 is clamped by any convenient means that provides a good electrical mechanical connection.

전극(404)들은 전구체 액체를 현저하게 가열 또는 이와 반응하지 않으면서 해당 부분을 치밀하게 하는 데 요구되는 전류를 반송할 수 있는 임의의 재료로 제조된다.The electrodes 404 are made of any material capable of carrying the current required to densify the portion without significantly heating or reacting the precursor liquid.

여기서, 전극(404)은 이들 내에 형성된 슬릿(406)을 갖는 1.91 cm(3/4 inch) 구리 로드로 제조된다. 구리 심(shim; 408)은 예비성형체(402) 주위에서 슬롯 내에 위치한다. 심(408)은 볼트(410)에 의해 전극(408)의 나사 결합 단부(412) 상에 조여진 예비성형체(402)에 대하여 가압된다.Here, the electrodes 404 are made of 1.91 cm (3/4 inch) copper rods with slits 406 formed therein. Copper shims 408 are located in slots around the preform 402. Shim 408 is pressed against preform 402 clamped on threaded end 412 of electrode 408 by bolt 410.

작동 시에, 예비성형체(402)는 전구체 액체(414) 내에 위치하여 있다. 전극(404)들은 예비성형체(402)를 가열하는 전류를 예비성형체를 통해서 공급하는 전원(도시 생략)에 연결된다. 예비성형체가 탄소 섬유로 제조되거나 탄소화 수지에 의해 함께 보유된 몇몇 섬유로 제조된 경우 등에서처럼 예비성형체의 저항이 낮으면, 높은 전류 공급이 바람직하다. 필요한 전류의 양은 예비성형체(402)의 단면적 및 이의 저항에 따라 달라진다. 그러나, 전류는 예비성형체(402)의 일부를 전구체 액체(414)의 열분해 온도 이상의 온도로 가열하기에 충분해야 한다. 1,000 암페어 정도의 전류가 필요하며, 정확한 전류 수준은 예비성형체의 측정 온도에 기초하여 실험적으로 설정될 수 있다. 전류로는 직류가 바람직하지만 교류도 사용할 수 있다. 또한, 예비성형체(402)의 치밀화가 진행됨에 따라 전류를 변화시킬 필요가 있다. 예비성형체(402)가 더 치밀화되면, 그 저항이 감소하여 동일 수준의 가열을 유지하는 데 전류를 증가시킬 필요가 있다. 이러한 이유로, 예비성형체의 온도를 연속적으로 또는 주기적으로 측정하여 소정 전류를 유지하도록 전원의 전압을 조정하거나 전류를 직접 조정하도록 고온계를 사용하는 것이 바람직하다.In operation, the preform 402 is located in the precursor liquid 414. The electrodes 404 are connected to a power source (not shown) that supplies a current for heating the preform 402 through the preform. If the resistance of the preform is low, such as when the preform is made of carbon fibers or of several fibers held together by a carbonized resin, a high current supply is preferred. The amount of current required depends on the cross-sectional area of the preform 402 and its resistance. However, the current must be sufficient to heat a portion of the preform 402 to a temperature above the pyrolysis temperature of the precursor liquid 414. As much as 1,000 amps of current are required, the exact current level can be set experimentally based on the measured temperature of the preform. Although direct current is preferable as an electric current, alternating current can also be used. In addition, as densification of the preform 402 proceeds, it is necessary to change the current. As the preform 402 becomes denser, its resistance decreases and it is necessary to increase the current to maintain the same level of heating. For this reason, it is desirable to use a pyrometer to adjust the voltage of the power supply or to directly adjust the current to maintain a predetermined current by continuously or periodically measuring the temperature of the preform.

도4의 장치는 균일 직경 및 벽 두께를 갖는 바아 또는 로드, 평판, 또는 전류 유동 방향에 수직한 균일한 단면적을 갖는 다른 형상으로 된 예비성형체를 균일 단면적을 갖는 형상으로 치밀화하는 데 특히 적합하다. 이러한 예비성형체는 마무리된 형상 또는 "네트" 형상으로 된다. 이와 달리, 치밀화 후에 디스크 또는 다른 형상으로 로드, 바아, 평판 또는 다른 형상으로 절결될 수도 있다. 또한, 수개의 부품은 하나의 치밀화 편으로 절결되어 수개의 부품들이 하나의 전원만을 사용하여 하나의 반응기에서 동시에 치밀화되게 해준다.The apparatus of Figure 4 is particularly suitable for densifying bars or rods with uniform diameters and wall thicknesses, or preforms of other shapes having a uniform cross-sectional area perpendicular to the direction of current flow, into densely shaped cross-sectional areas. Such preforms have a finished or "net" shape. Alternatively, it may be cut into rods, bars, plates or other shapes into discs or other shapes after densification. In addition, several parts are cut into one densifying piece so that several parts are densified simultaneously in one reactor using only one power source.

도4는 반응기 용기 내에서 수직으로 방향을 취한 예비성형체(402)를 도시한다. 임의의 방향을 취할 수도 있다. 도5는 예비성형체(502)를 치밀화하는 변경된 형상을 도시한다. 예비성형체(502)는 유도 코일(504) 내부에 위치한다. 예비성형체(502)의 단부들은 전극(506)에 결합되어 있다. 상기에 설명한 것처럼 적절한 전원에 연결되면 코일(504)은 예비성형체(502)의 유도 가열을 제공하고 전극(506)들이 저항 가열을 수행한다.4 shows the preform 402 oriented vertically in the reactor vessel. It may take any direction. 5 shows a modified shape for densifying preform 502. The preform 502 is located inside the induction coil 504. Ends of the preform 502 are coupled to the electrode 506. When connected to a suitable power source as described above, coil 504 provides induction heating of preform 502 and electrodes 506 perform resistance heating.

예비성형체(502)는 오목 구역(508)을 포함한다. 저항 가열 방식을 이용한 균일 가열을 위하여, 오목 구역 또는 비균일 단면을 갖는 구역을 갖춘 예비성형체는 현재의 밀도로서 바람직하지 않으며 따라서 오목 구역 내에서 가열이 증가된다. 마찬가지로, 오목 구역은 특정 코일 설계를 사용하지 않고도 오목 구역이 주연 영역들과 함께 가열되지 않기 때문에 유도 가열을 사용하는 균일 가열에 대하여 해를 미치게 된다. 그러나, 저항 및 유도 가열 양자를 사용하는 것은 저항 가열과 관련한 고온 지점들이 유도 가열의 냉각 지점들에 의해 없어지는 경향이 있기 때문에 더 균일한 가열을 제공하게 된다. 따라서, 예비성형체(502)의 형상에 일치하는 특정 코일 설계를 사용하지 않고 예비성형체(502)를 균일하게 가열할 수 있다.Preform 502 includes concave region 508. For uniform heating using a resistive heating scheme, preforms with concave zones or zones with non-uniform cross sections are not desirable as current densities and thus increase heating in the concave zones. Likewise, the recessed zones are detrimental to uniform heating using induction heating since the recessed zones are not heated with the peripheral zones without using a specific coil design. However, using both resistive and inductive heating provides more uniform heating because the hot spots associated with resistive heating tend to be lost by the cooling points of the inductive heating. Thus, the preform 502 can be uniformly heated without using a specific coil design that matches the shape of the preform 502.

저항 및 유도 가열을 조합하면, 예비성형체의 가열을 더 양호하게 제어할 수 있게 되는 장점을 제공한다. 예비성형체를 가장 완전하게 치밀화하기 위해서는 예비성형체의 중심을 초기에 전구체 액체의 열분해 온도 이상으로 가열하는 것이 바람직하다. 온도 구배는 전구체 액체의 냉각 효과에 기인하여 예비성형체의 중심으로부터 그 주연부로 가면서 감소하도록 설정된다. 이러한 온도 분포를 가짐으로써, 재료를 치밀화하는 침전이 예비성형체의 중심에서 바람직하게 일어난다. 치밀화가 진행됨으로써 중심으로부터 반경 방향 외측으로 연속 이동하는 예비성형체의 구역은 열분해 온도를 초과하는 것이 바람직하다. 저항 가열은 온도 구배에 기인한 저항 변화에 기인하여 제2순위의 차만을 갖는 단면에 걸쳐 거의 균일하게 가열한다. 예비성형체의 외부를 냉각하는 전구체 액체를 가짐으로써 일어나는 온도 프로필은 중심에서 가장 높고 연부에서 가장 낮다. 또한, 저항은 증가된 온도로 강하하게 되어 전류 및 그에 따라 추가의 열 발생이 예비성형체의 고온 내부 부분에서 집중되도록 한다. 이러한 온도 분포는 치밀화 사이클의 개시에 매우 적합하다.Combining resistance and induction heating provides the advantage of being able to better control the heating of the preform. In order to achieve the most complete densification of the preform, it is desirable to initially heat the center of the preform above the pyrolysis temperature of the precursor liquid. The temperature gradient is set to decrease from the center of the preform to its periphery due to the cooling effect of the precursor liquid. With this temperature distribution, precipitation which densifies the material preferably occurs at the center of the preform. As the densification proceeds, the zone of the preform continuously moving radially outward from the center preferably exceeds the pyrolysis temperature. Resistance heating heats almost uniformly across the cross section with only the second order difference due to the change in resistance due to the temperature gradient. The temperature profile resulting from having the precursor liquid cooling the exterior of the preform is highest in the center and lowest in the edge. In addition, the resistance drops to increased temperature such that the current and thus further heat generation is concentrated in the hot interior portion of the preform. This temperature distribution is well suited for initiation of densification cycles.

역으로, 유도 코일(504)은 열이 예비성형체의 주연 근처에 더 많은 양으로 발생하게 한다. 발생된 열의 양은 표피 깊이에서 최대값의 14 %로 강하한다. 표피 깊이는 주파수의 함수로 되어 주파수의 평방근에 반비례하여 감소된다. 유도 가열 기술 분야에 숙련된 자에게 잘 알려져 있는 기술을 사용하여 주파수를 적절하게 선택함으로써 유도 코일(504)이 예비성형체의 주연을 많이 가열할 수 있다. 이러한 열 분포는 치밀화 사이클의 말기에 바람직하다. 따라서, 초기에 예비성형체(502)를 가열하고 그후에 코일(504)을 통과하는 전류를 증가시킴으로써 바람직한 결과를 얻을 수 있다. 전극(506)을 통하는 전류는 필요에 따라 동시에 감소시킬 수도 있다.Conversely, induction coil 504 causes heat to be generated in greater amounts near the periphery of the preform. The amount of heat generated drops to 14% of the maximum at the depth of the skin. Skin depth decreases in inverse proportion to the square root of frequency as a function of frequency. By appropriately selecting the frequencies using techniques well known to those skilled in the art of induction heating, the induction coil 504 can heat up the periphery of the preform much. This heat distribution is desirable at the end of the densification cycle. Thus, desirable results can be obtained by initially heating the preform 502 and then increasing the current through the coil 504. The current through the electrode 506 may be simultaneously reduced as needed.

치밀화 사이클 중에도 상기 유도 코일에 의해 유사한 열 분포를 얻을 수 있다. 전원의 주파수는 예비성형체 직경의 약 1/4 내지 1/3인 표피 깊이를 제공하도록 초기에 설정된다. 이 표피 깊이는 예비성형체 외부로의 열 전달을 고려하여 예비성형체의 중심에 최대 열 축적을 제공한다. 이상적으로는, 코일의 전력은 전구체 액체가 예비성형체의 잔여부를 열분해 온도 아래로 냉각시키는 동안에 예비성형체를 전구체 액체의 열분해 온도 약간 위로 가열하도록 설정될 수 있다. 예비성형체의 중심이 치밀화됨으로써 전원의 주파수는 예비성형체를 중심으로부터 약간 이격된 구역에서의 열분해 온도 약간 위로 가열하도록 증가될 수 있다. 또한, 코일에 공급된 전력은 예비성형체의 잔여부가 전구체 액체의 열분해 온도 아래로 유지되도록 약간 감소될 수 있다. 주파수 및 전력의 정확한 변화율은 예비성형체의 형상 및 조성에 따라 달라지고 실험적으로 결정될 필요가 있다.Similar heat distribution can be obtained by the induction coil even during the densification cycle. The frequency of the power source is initially set to provide an epidermal depth that is about 1/4 to 1/3 of the preform diameter. This skin depth provides maximum heat accumulation at the center of the preform, taking into account heat transfer out of the preform. Ideally, the power of the coil may be set to heat the preform slightly above the pyrolysis temperature of the precursor liquid while the precursor liquid cools the remainder of the preform below the pyrolysis temperature. By densifying the center of the preform, the frequency of the power source can be increased to heat the preform slightly above the pyrolysis temperature in a region slightly away from the center. In addition, the power supplied to the coil can be slightly reduced such that the remainder of the preform is kept below the pyrolysis temperature of the precursor liquid. The exact rate of change of frequency and power depends on the shape and composition of the preform and needs to be determined experimentally.

유도 코일이 저항원 없이 사용되는 경우에도 치밀화 공정이 진행될 때 유도 코일에의 전력을 증가시킴으로써 바람직한 결과를 얻을 수 있다.Even when the induction coil is used without a resistance source, desirable results can be obtained by increasing the power to the induction coil as the densification process proceeds.

도7은 치밀화 사이클 중에 전력이 증가하는 것이 더 완전한 치밀화를 제공할 수 있는 것을 이해하는 데 도움을 주는 3개의 곡선을 도시한다. 도7은 예비성형체의 두께 중심으로부터의 거리의 함수로서의 치밀화된 예비성형체의 밀도를 각각 도시하는 곡선(702, 704, 706)을 도시한다. 곡선(702)은 비교적 낮은 입력 전력에서 만들어진다. 밀도는 중심선에서 최대로 된다. 이 밀도 패턴은 중심이 전구체 액체의 열분해를 일으키기에 충분한 온도로 가열되기 때문에 얻어진다. 예비성형체의 외부는 열분해 없이 그리고 이와 관련한 침전 반응이 없도록 냉각된다. 곡선(706)은 비교적 높은 입력 전력에서 만들어진다. 최대 밀도는 주연부에서 일어나는데, 그 이유는 주연부가 전구체의 열분해를 일으키기에 충분히 높은 온도로 기열되기 때문이다. 열분해는 전구체가 예비성형체의 중심으로 주입되는 것을 차단하는 침전을 일으킨다. 곡선(704)은 중간 전력에서 만들어지고, 중심선과 주연부의 중간에서의 최대 밀도를 도시한다.7 shows three curves to help understand that increasing the power during the densification cycle may provide more complete densification. FIG. 7 shows curves 702, 704, and 706, respectively, showing the density of the densified preform as a function of the distance from the thickness center of the preform. Curve 702 is made at a relatively low input power. The density is maximum at the center line. This density pattern is obtained because the center is heated to a temperature sufficient to cause pyrolysis of the precursor liquid. The exterior of the preform is cooled without pyrolysis and with no associated precipitation reactions. Curve 706 is made at a relatively high input power. The maximum density occurs at the perimeter, because the perimeter is heated to a temperature high enough to cause pyrolysis of the precursor. Pyrolysis causes precipitation which prevents the precursor from being injected into the center of the preform. Curve 704 is made at medium power and shows the maximum density in the middle of the centerline and the perimeter.

개선된 치밀화를 제공하기 위하여, 곡선(702)을 생성하는 데 사용된 것과 같은 전력(P_o)을 초기에 사용하는 것이 바람직하다. 치밀화 사이클의 말기에서는 곡선(706)을 생성하는 데 사용된 것과 같은 전력(P_f)을 사용하는 것이 바람직하다. 그 사이에서는 곡선(704)과 같은 곡선을 제공하는 전력을 사용하는 것이 바람직하다. 도8은 치밀화 사이클 중에 시간 P(t)의 함수로서의 입력 전력의 바람직한 수준의 곡선을 도시한다. 전력은 P_o에 초기 설정된다. 시간 T_f에서 치밀화 사이클의 말기에서 전력은 P_f와 같다. 치밀화 사이클 중에 전력은 증가된다. 도8에 도시된 것처럼 전력은 시간 t에 비례하여 전력 n으로 증가한다. 이 관계는 화학 반응이 증가된 온도에 의해 침전의 증가를 일으키기 때문에 바람직하다. 따라서, 예비성형체의 외부 부분을 치밀화하는 데 더 적은 시간이 필요하게 된다. 또한, 예비성형체의 외부 부분은 내부가 치밀화되는 동안에 다소의 범위까지 치밀화된다. 그 결과, 예비성형체의 주연 부분이 내부 부분보다 더 빠른 속도로 치밀화되어 예비성형체의 외부를 치밀화하는 데 더 적은 시간이 필요하게 된다.To provide improved densification, it is preferable to use initially a power (P _o), such as those used to generate the curve 702. At the end of the densification cycle, it is desirable to use the same power P _f as used to generate the curve 706. In between, it is desirable to use power to provide a curve, such as curve 704. 8 shows a curve of the desired level of input power as a function of time P (t) during the densification cycle. Power is initially set at P _o . At the end of the densification cycle at time T _f , the power is equal to P _f . Power is increased during the densification cycle. As shown in Fig. 8, the power increases with the power n in proportion to the time t. This relationship is desirable because the chemical reaction causes an increase in precipitation due to the increased temperature. Thus, less time is required to densify the outer part of the preform. In addition, the outer portion of the preform is densified to some extent while the interior is densified. As a result, the peripheral portion of the preform is densified at a faster rate than the inner portion, requiring less time to densify the exterior of the preform.

μ, P_o, P_f, T_f및 n의 값은 예비성형체의 크기 및 형상 그리고 사용된 특정 전구체 액체에 따라 달라진다. 이들 값을 이론적으로 계산할 수도 있다. 그러나, 복잡한 현상 특성이 관여하기 때문에 적절한 값을 실험적으로 결정하는 것이 바람직할 수도 있다. 예비성형체를 관찰하고 이의 밀도를 측정하기 위하여 주기적으로 정지시키는 방식으로 수행하는 수회의 시도가 적절한 값을 결정하는 데 필요하다. 1 내지 5 범위의 값들이 여기에 도시된 것과 같은 탄소 브레이크 부품에 만족스러운 것으로 관찰되었다. 그러나, 다른 형상에 대해서는 다른 값들도 바람직하다.The values of μ, P _o , P _f , T _f and n depend on the size and shape of the preform and the particular precursor liquid used. These values can also be calculated theoretically. However, it may be desirable to experimentally determine the appropriate value because of the complex development characteristics involved. Several attempts to observe the preform and periodically stop it to determine its density are necessary to determine the appropriate value. Values ranging from 1 to 5 have been observed to be satisfactory for carbon brake parts such as those shown here. However, other values are desirable for other shapes.

도8은 연속적인 전력 변화를 도시한 것을 알 수 있다. 그러나, 전력은 불연속 단계로 증가할 수도 있다. 또한, 동일한 패턴의 가변 입력 전력을 예비성형체를 가열하는 방법과는 무관하게 사용할 수도 있다. 또한, 도8의 곡선은 전력이 연속적으로 인가되는 것도 도시한다. 나중에 설명하는 것처럼, 인가된 전력을 "온" 상태 및 "오프" 상태 또는 감소된 수준 사이에서 주기적으로 펄스화 시키는 것이 바람직할 수도 있다. 펄스화 된 전원이 사용되는 경우에 도8의 곡선은 "온" 상태에서의 전력을 나타낸다.It can be seen that Figure 8 shows a continuous change in power. However, power may increase in discrete steps. In addition, the variable input power of the same pattern can be used regardless of the method of heating the preform. 8 also shows that power is continuously applied. As described later, it may be desirable to periodically pulse the applied power between an "on" state and an "off" state or a reduced level. In the case where a pulsed power supply is used, the curve of Fig. 8 shows the power in the "on" state.

침전을 제어하는 또 다른 방법으로는 반응기 챔버 내의 압력을 조정하는 것이 있다. 침전이 주로 내부에서 일어나도록 예비성형체의 주연부를 냉각시키는 것이 바람직하다. 냉각은 방사 열 전달에 더하여 전구체 액체의 비등 또는 증발 및 대류에 의해 일어난다. 예비성형체의 중심이 일단 치밀화되면, 예비성형체의 외부 치밀화가 신속하게 일어나도록 주연부를 덜 냉각시키는 것이 바람직하다. 냉각을 줄이기 위하여, 반응기 챔버의 압력을 변경시킬 수도 있다. 예를 들어, 압력은 환기 적층부(136)를 제거함으로써 간편하게 증가될 수 있다.Another way to control precipitation is to adjust the pressure in the reactor chamber. It is desirable to cool the periphery of the preform so that precipitation occurs mainly internally. Cooling takes place by boiling or evaporating and convection of the precursor liquid in addition to radiant heat transfer. Once the center of the preform is densified, it is desirable to cool the periphery less so that external densification of the preform occurs quickly. In order to reduce cooling, the pressure in the reactor chamber may be changed. For example, the pressure can be increased simply by removing the vent stack 136.

상기에 설명한 것처럼, 치밀화는 예비성형체의 내부에서 주연 방향으로 일어나도록 하는 것이 바람직하다. 상기 공정 제어 기술은 예비성형체의 가열을 제어함으로써 치밀화 공정을 제어하는 것에 관계가 있다. 또한, 예비성형체 안으로의 증기 확산을 제어할 수도 있다.As described above, it is preferable that the densification occurs in the circumferential direction inside the preform. The process control technique relates to controlling the densification process by controlling the heating of the preform. It is also possible to control the diffusion of vapor into the preform.

더 많은 증기가 예비성형체의 내부 부분에 도달하거나 예비성형체 내부의 증기 농도가 증가하면, 치밀화가 예비성형체의 내부에서 주연 방향으로 일어나게 된다.As more steam reaches the inner part of the preform or the vapor concentration inside the preform increases, densification occurs in the circumferential direction inside the preform.

예비성형체의 내부에 침전물을 형성하는 재료의 농도를 증가시키는 한가지 방법으로는 예비성형체의 가열을 펄스화 시키는 것이 있다. 가열을 펄스화 시키는 것은 가열이 일어나지 않거나 가열이 감소될 때 증기가 예비성형체 외부로 확산시키도록 침전물을 형성할 때 부산물이 발생되게 한다. 예를 들어, 시클로헥산이 전구체 액체로서 사용되면, H₂가 부산물로서 발생된다. 코일에의 전력(유도 가열이 사용될 때) 또는 예비성형체로의 전력(저항 가열이 사용될 때)이 H₂를예비성형체 외부로 확산시키기에 충분한 긴 시간 동안 주기적으로 중단되는 경우에, 가열이 시작되면 더 많은 시클로헥산 증기가 예비성형체 안으로 확산될 수 있다. 시클로헥산 증기의 농도는 H₂가 없어지기 때문에 더 높아지게 된다.One way to increase the concentration of material that forms a precipitate inside the preform is to pulse the heating of the preform. Pulsed heating causes by-products to be generated when the precipitate forms such that the vapor diffuses out of the preform when no heating occurs or the heating is reduced. For example, if cyclohexane is used as precursor liquid, H ₂ is generated as a byproduct. If heating to the coil (when induction heating is used) or power to the preform (when resistive heating is used) is interrupted periodically for a long time sufficient to diffuse H _{2 out} of the preform, More cyclohexane vapor can diffuse into the preform. The concentration of cyclohexane vapor is higher because H ₂ is lost.

가열은 비교적 짧은 시간 주기 동안 중단식으로 할 필요가 있다. 시간 길이는 예비성형체의 크기 및 치밀화 단계에 따라 달라진다. 이는 부산물이 두꺼운 예비성형체의 중심 외부로 그리고 연부 외부로 확산되도록 부산물을 긴 시간 동안 취하게 한다. 그 결과, 예비성형체의 내부가 치밀화될 때 치밀화 사이클의 초기 단계 중에 긴 주기의 시간에 걸쳐 가열을 중단시키는 것이 바람직할 수도 있다. 가열은 바람직하게는 0.01초 내지 10분, 더욱 바람직하게는 0.01 내지 3분의 주기 동안 중단시키는 것이 좋다. 가열은 부산물이 발생되게 되는 속도에 반비례하는 길이의 간격으로 중단시켜야 하며, 약 0.01초 내지 3분이 바람직하다Heating needs to be stopped for a relatively short period of time. The length of time depends on the size of the preform and the level of densification. This allows the byproduct to be taken for a long time so that the byproduct diffuses out of the center of the thick preform and out of the edge. As a result, it may be desirable to stop heating over a long period of time during the initial stage of the densification cycle when the interior of the preform is densified. The heating is preferably stopped for a period of 0.01 seconds to 10 minutes, more preferably 0.01 to 3 minutes. Heating should be stopped at intervals of length inversely proportional to the rate at which by-products are generated, preferably from about 0.01 seconds to 3 minutes

또한, 가열을 중단시키게 되면 더 강한 마무리 부분을 만들 수 있는 부가적인 장점을 제공한다. 치밀화된 부분의 강도는 침전된 재료의 강도에 부분적으로 기인한다. 침전된 재료의 강도는 이의 미세구조에 따라 달라진다. 재료가 침전되면 결정 영역이 성장한다. 이 부분은 모든 영역이 작더라도 더 강하다. 상기 부분을 핵재형성을 일으키게 되는 온도로 냉각시키기에 충분히 긴 시간 동안 가열을 중단시키면 상기 영역을 더 작게 한다. 예비성형체를 만드는 데 사용된 섬유의 직경보다 작은, 대개는 5미크론 이하인 영역을 작은 것으로 간주한다.In addition, stopping heating provides the added benefit of creating a stronger finish. The strength of the densified portion is due in part to the strength of the deposited material. The strength of the deposited material depends on its microstructure. As the material precipitates, crystal regions grow. This part is stronger even if all the areas are small. Stopping the heating for a time long enough to cool the portion to a temperature that will result in nuclear remodeling results in a smaller area. Areas smaller than the diameter of the fibers used to make the preform, usually less than 5 microns, are considered small.

가열에 의한 열은 영역을 소정 크기로 성장시키는 데 필요한 시간 동안 예비성형체에 인가되어야 한다. 이 시간은 대개, 0.1초 내지 5분이다. 가열은 예비성형체를 핵재형성 온도 이하로 냉각시키기에 충분히 긴 시간 동안 중단시키는 것이 좋다. 이 시간은 대개 0.01초 내지 10초이다. 침전이 온도에 따라 멱지수적으로 변하기 때문에 10 내지 200 ℃ 정도의 매우 작은 냉각도 핵재형성을 일으키기에 충분할 수 있다.Heat by heating should be applied to the preform for the time required to grow the region to the desired size. This time is usually 0.1 seconds to 5 minutes. The heating is preferably stopped for a time long enough to cool the preform below the nuclear reforming temperature. This time is usually 0.01 seconds to 10 seconds. Because precipitation changes exponentially with temperature, even very small cooling, such as 10 to 200 ° C., may be sufficient to cause nuclear remodeling.

입자 크기를 제어하는 것은 브레이크에 사용되는 마찰 재료를 만드는 데에도 중요하다. 작은 영역은 큰 영역에서와는 상이한 마찰계수를 갖게 된다. 따라서, 영역 크기를 제어함으로써 소정의 마찰계수 내의 재료를 만들 수 있게 된다.Controlling particle size is also important for making friction materials used in brakes. Small areas will have different coefficients of friction than large areas. Thus, by controlling the area size, it is possible to make a material within a predetermined friction coefficient.

펄스가 일정한 듀티 사이클로 되거나 일정한 간격으로 일어날 필요는 없다. 예를 들어, 도8에 도시된 것처럼 전력 수준은 치밀화 사이클 중에 변화할 수 있다. 펄스 특성은 전력 수준에 따라 변화할 수도 있다.The pulses do not have to be at regular duty cycles or occur at regular intervals. For example, the power level may change during the densification cycle as shown in FIG. Pulse characteristics may vary with power levels.

예비성형체의 내부에서의 재료의 침전을 증가시키는 또 다른 방법으로는 액체 전구체 내에 압력파를 사용하는 것이 있다. 이들 파는 전구체를 상기 부분으로 가하고 부산물을 배출하는 밀도파로서 증기 내에서 강하게 된다. 상기 시스템에서, 압력파는 액체 전구체를 비등시키는 것과 관련한 기포의 발생 및 집중에 기인하여 액체 내에 존재한다. 이들 파의 크기는 전구체 액체 또는 반응 용기의 외부를 냉각시킴으로써 증가될 수 있다. 예를 들어, 도1에서 필터(116)는 액체를 냉각시키도록 냉각 섹션을 포함한다. 이와 달리, 반응기(100)는 물 또는 다른 냉각 시스템에 의해 채워질 수 있다.Another way to increase the precipitation of material inside the preform is to use pressure waves in the liquid precursor. These waves become strong in the vapor as density waves that add precursors to the portion and release by-products. In such a system, pressure waves are present in the liquid due to the generation and concentration of bubbles associated with boiling the liquid precursor. The size of these waves can be increased by cooling the outside of the precursor liquid or reaction vessel. For example, in FIG. 1 filter 116 includes a cooling section to cool the liquid. Alternatively, reactor 100 may be filled by water or another cooling system.

전구체 액체 내에 압력파를 발생시키는 또 다른 방법으로는 전구체 액체 내에 하나 이상의 변환기를 위치시키는 것이 있다. 상기 변환기로는 음향 및 초음파 변환기를 사용할 수 있다. 변환기는 전구체 액체 내에 파들을 발생시키도록 펄스화될 수 있다. 예비성형체 또는 전구체 액체의 기계적인 진동 및 교반 방법도 사용할 수 있다.Another way to generate pressure waves in the precursor liquid is to place one or more transducers in the precursor liquid. The transducers may be acoustic and ultrasonic transducers. The transducer can be pulsed to generate waves in the precursor liquid. Methods of mechanical vibration and stirring of the preform or precursor liquid can also be used.

도6은 브레이크 디스크를 치밀화하고 개장하기 위한 코일 배열의 양호한 변경예를 도시한다. 여기서, 디스크형 예비성형체(602)는 "팬케이크" 코일(604)들 사이에 위치하여 있다. 팬케이크 코일(604)은 예비성형체(602) 등의 일부 예비성형체의 중심에서 예들 들어 코일(304; 도1) 등의 코일보다 더 효과적인 가열을 제공한다. 팬케이크 코일은 두께에 걸친 저항률이 높은 경우에 예비성형체에 유용하거나 또는 코일(104; 도1) 등의 코일의 축을 따르는 연부를 포함하는 예비성형체를 가열하는 데 유용하다.6 shows a preferred variant of the coil arrangement for compacting and retrofitting the brake disc. Here, the disc-shaped preform 602 is located between the "pancake" coils 604. The pancake coil 604 provides more effective heating at the center of some preforms, such as the preform 602, for example than coils such as coil 304 (FIG. 1). Pancake coils are useful for preforms where the resistivity over thickness is high, or for heating preforms including edges along the axis of a coil, such as coil 104 (FIG. 1).

도6은 연속 터언들 사이에 균일 공간을 갖도록 된 팬케이크 코일(604)을 도시한다. 비균일 공간은 몇몇 경우에 바람직하다. 예를 들어, 예비성형체(602)가 이의 중심에 구멍을 갖춘 디스크인 경우에, 터언 밀도는 예비성형체의 외부와 예비성형체 중심의 구멍 외부 사이의 중간 구역에서 증가될 수도 있다. 유도 가열 시스템을 위한 종래의 설계 기술을 양호하게 이용할 수 있다.6 shows a pancake coil 604 adapted to have a uniform space between successive turns. Non-uniform spaces are desirable in some cases. For example, if the preform 602 is a disk with a hole in its center, the turn density may be increased in the intermediate region between the outside of the preform and the outside of the hole in the center of the preform. Conventional design techniques for induction heating systems are well utilized.

도6은 개방 메쉬(610) 상에 놓인 예비성형체(602)를 도시한다. 개방 메쉬(610) 또는 다른 유사한 지지 구조는 전구체 액체(608)가 예비성형체(602)의 표면 아래에 도달하게 되는 동안에 예비성형체(602)를 유지한다. 대체로, 탄소-탄소 혼합물로 된 예비성형체는 수지 또는 피치에 의해 함께 유지된 섬유로 제조된다. 그 다음에, 수지 또는 피치는 고온으로 가열되어 탄소로 변환된다. 탄소는 여전히 다공성이고 치밀화되어야 한다. 그러나, 예비성형체는 대체로 큰 강성을 갖고, 예비성형체는 다양한 방법에 의해 지지된다.6 shows a preform 602 lying on an open mesh 610. The open mesh 610 or other similar support structure holds the preform 602 while the precursor liquid 608 reaches below the surface of the preform 602. As a rule, preforms of carbon-carbon mixtures are made of fibers held together by resin or pitch. The resin or pitch is then heated to high temperature and converted to carbon. Carbon should still be porous and densified. However, the preform generally has great rigidity, and the preform is supported by various methods.

도6의 예비성형체는 탄소 수지 또는 피치에 의해 함께 유지되지 않기 때문에 건조 예비성형체로 불린다. 건조 예비성형체의 한가지 형태로는 섬유들 층을 적층함으로써 그리고 이 적층부를 통해서 갈고리형 바늘을 찔러 넣음으로써 제조되는 "니들" 예비성형체가 있다. 니들은 층들을 함께 로킹함으로써 층들을 통해서 섬유를 당긴다. 이렇게 형성된 예비성형체는 강성을 덜 갖고, 프레임 또는 메쉬(610) 등의 구조에서 그 길이에 걸쳐 지지될 필요가 있다.The preform of Fig. 6 is called a dry preform because it is not held together by a carbon resin or pitch. One form of dry preform is a “needle” preform produced by laminating a layer of fibers and inserting a hooked needle through the stack. The needle pulls the fibers through the layers by locking the layers together. The preform thus formed has less rigidity and needs to be supported over its length in a structure such as frame or mesh 610.

또한, 건조 예비성형체는 수지 또는 피치로 함께 유지된 예비성형체보다 높은 저항률을 가지며, 따라서 이들 재료를 효과적으로 가열하는 데에는 높은 주파수가 필요하다. 예비성형체가 치밀화되기 시작하면, 주파수는 저항률의 감소를 보상하도록 감소될 필요가 있다. 저항 가열에 대해서도 유사한 조정이 필요하다. 전류는 감소된 저항을 보상하기 위하여 증가될 필요가 있다.In addition, dry preforms have a higher resistivity than preforms held together in resin or pitch, and therefore high frequencies are required to effectively heat these materials. Once the preform begins to compact, the frequency needs to be reduced to compensate for the decrease in resistivity. Similar adjustments are necessary for resistive heating. The current needs to be increased to compensate for the reduced resistance.

몇몇 예비성형체에서는 효과적인 유도 가열을 제공하도록 매우 높은 주파수가 필요하게 된다. 상기에 설명한 저항 가열도 사용할 수 있다. 이와 달리, 고주파 에너지는 유도 코일보다는 마이크로웨이브 공급원으로부터 발생될 수 있다. 마이크로웨이브가 사용되면, 반응기 용기는 마이크로웨이브 에너지를 반사하는 재료로 마이크로웨이브 노에 사용된 공동과 같은 형상으로 제조된다. 필요에 따라, 반응기 용기의 개구는 사용된 주파수의 1/4 파장보다 작거나 1/4 파장보다 작은 개구를 갖는 도전성 메쉬로 덮여야 한다. 300 MHz 내지 300 GHz 범위의 주파수를 사용할 수 있으며, 바람직한 주파수 범위는 915 MHz 내지 2.45 GHz이다.Some preforms require very high frequencies to provide effective induction heating. Resistance heating described above can also be used. Alternatively, high frequency energy may be generated from microwave sources rather than induction coils. If microwave is used, the reactor vessel is made of a material that reflects microwave energy and is shaped like the cavity used in the microwave furnace. If necessary, the opening of the reactor vessel should be covered with a conductive mesh having an opening smaller than 1/4 wavelength or less than 1/4 wavelength of the frequency used. Frequencies in the range 300 MHz to 300 GHz may be used, with a preferred frequency range of 915 MHz to 2.45 GHz.

이러한 주파수 전력원을 사용하는 다른 변경예로는 감수체를 예비성형체에 사용하는 것이 있다. 감수체는 신속하게 가열되는 재료이다. 여기서는 그래파이트 편이 감수체로서 사용되었다. 도9는 디스크형 예비성형체(900)의 단면을 도시한다. 예비성형체(900)는 감수체로서 작용하는 코어(904)를 갖는다. 코어(904)는 사용 시에 가열원에 의해 발생된 형태의 에너지에 노출되었을 때 신속하게 가열되는 그래파이트, 탄소 또는 다른 재료로 될 수 있다.Another variation of using such a frequency power source is the use of a reducer in the preform. The reducer is a material that heats up quickly. Graphite pieces were used here as a receptor. 9 shows a cross section of a disc-shaped preform 900. The preform 900 has a core 904 that acts as a receptor. The core 904 may be of graphite, carbon or other material that heats up quickly when exposed to energy in the form generated by the heating source in use.

예비성형체(900)의 다공성 부분(902)은 코어(904)를 둘러싼다. 부분(902)은 코어(904) 주위에 종래의 탄소/페놀릭 재료를 주조함으로써 도포된다. 변경예로서, 탄소 펠트로 된 시트는 코어(904) 상하부에 위치할 수 있다. 탄소 펠트 시트는 함께 니들 형상으로 된다.The porous portion 902 of the preform 900 surrounds the core 904. Portion 902 is applied by casting conventional carbon / phenolic material around core 904. As a variant, the sheet of carbon felt may be located above and below the core 904. The carbon felt sheets together are needle shaped.

코어(904)는 임의의 감수체 재료로 될 수 있다. 특정의 유용한 감수체는 미리 치밀화된 디스크로 될 수 있다. 예를 들어, 항공기 브레이크로부터의 마모된 탄소/탄소 디스크는 새로운 디스크를 만들도록 가공되어 코어(904)를 형성하는 데 사용된다.The core 904 can be of any receptor material. Certain useful receptors may be pre-dense disks. For example, worn carbon / carbon discs from aircraft brakes are processed to make new discs and used to form the core 904.

본 발명의 여러 실시예를 설명하였으나, 이 기술분야에 숙련된 자는 본 발명의 기술사상 내에서 다른 실시예를 고려할 수도 있다. 반응기의 형상은 제한적이지 않다. 많은 적절한 재료를 사용하여 본 명세서에 기재된 설비를 만들 수 있다. 또한, 섬유 예비성형체 형태의 다공성 빌렛에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 방법 및 장치를 이용하여 다른 여러 형태의 예비성형체를 치밀화할 수 있다. 또한, 탄소로 치밀화된 탄소 섬유 예비성형체는 예로서 설명한 것이다. 탄소 섬유 예비성형체는 세라믹으로 치밀화될 수도 있고, 세라믹 섬유는 탄소 또는 세라믹으로 치밀화될 수 있다. 또한, 플럭스 집중 장치를 유도 코일과 관련하여 사용한 것으로 설명하였다. 예를 들어, 도6은 대칭형 필드 패턴을 생성하는 팬케이크 코일을 도시한다. 페라이트 볼 등의 플럭스 집중 장치 또는 Fluxtrol Company로부터 판매되는 상용 플럭스트롤 플럭스 집중 장치를 사용할 수도 있다. 이러한 플럭스 집중 장치는 발생된 플럭스를 예비성형체 쪽으로 더 많이 안내하도록 예를 들어 예비성형체로부터 멀리 있는 코일의 외측 부분 상에 위치할 수 있다.While various embodiments of the invention have been described, those skilled in the art may contemplate other embodiments within the spirit of the invention. The shape of the reactor is not limited. Many suitable materials can be used to make the installations described herein. In addition, while porous billets in the form of fiber preforms have been described, many other forms of preforms can be densified using the methods and apparatus of the present invention. In addition, the carbon fiber preform densified with carbon is described by way of example. Carbon fiber preforms may be densified with ceramics, and ceramic fibers may be densified with carbon or ceramics. It has also been described that the flux concentrator is used in connection with the induction coil. For example, Figure 6 shows a pancake coil that produces a symmetrical field pattern. Flux concentrators such as ferrite balls or commercial fluxtrol flux concentrators sold by the Fluxtrol Company may be used. Such a flux concentrator may be located on an outer portion of the coil, for example, away from the preform, to guide the generated flux more towards the preform.

〈실시예 1〉<Example 1>

3.81 cm(1.5 inch)의 내경, 38 내지 40 밀의 두께 및 15.24 cm(6 inch)의 길이를 갖는 튜브형 예비성형체를 종래의 탄소/페놀릭 재료로 된 복수의 중첩 시트로부터 소위 인볼류트 랩으로 불리는 포맷으로 제조하였다. 예비성형체는 650 ℃를 초과하는 온도로 가열됨으로써 탄소화되었다. 예비성형체의 초기 벌크 밀도는 1.3 g/cc였다. 예비성형체는 전구체 액체로서 시클로헥산을 사용하여 도1에 도시된 반응기에서 치밀화된다. 그래파이트 코어는 감수체로서 작용하도록 튜브의 중심에 위치하여 있다. 전원은 160 KHz의 주파수에서 30 kW로 공급되었다. 900 내지 1500 ℃ 사이의 예비성형체 온도를 얻을 수 있다. 4시간 후에, 벌크 밀도는 1.83 g/cc이고, 수은 다공도 측정기에 의해 측정된 겉보기 밀도는 2.01 g/cc였다. 이 부분의 다공도는 6.2 %로 매우 낮다. 이 실험은 튜브가 26.3 Ksi의 압축 강도 및 44.1 Msi의 모듈을 갖는 것을 보여준다.Tubular preforms with an internal diameter of 3.81 cm (1.5 inch), thickness of 38 to 40 mils and length of 15.24 cm (6 inch), are called a format called so-called involute wrap from a plurality of overlapping sheets of conventional carbon / phenolic material. It was prepared by. The preform was carbonized by heating to a temperature above 650 ° C. The initial bulk density of the preform was 1.3 g / cc. The preform is densified in the reactor shown in FIG. 1 using cyclohexane as the precursor liquid. The graphite core is located at the center of the tube to act as a receptor. Power was supplied at 30 kW at a frequency of 160 KHz. Preform temperatures between 900 and 1500 ° C. can be obtained. After 4 hours, the bulk density was 1.83 g / cc and the apparent density measured by the mercury porosimetry was 2.01 g / cc. The porosity of this part is very low at 6.2%. This experiment shows that the tube has a compressive strength of 26.3 Ksi and a module of 44.1 Msi.

〈실시예 2〉<Example 2>

F-16 항공기 브레이크를 분해하고 탄소 회전자 디스크를 각 회전자 디스크로부터 절반인 두께의 회전자를 만들도록 연마했다. 회전자는 정상 브레이크 수명 주기를 위하여 실제 항공기 작동에 사용된 30.5 cm(12 inch) 직경의 탄소-탄소 환형 디스크이다.The F-16 aircraft brakes were disassembled and the carbon rotor discs were ground to make a rotor half the thickness of each rotor disc. The rotor is a 30.5 cm (12 inch) diameter carbon-carbon annular disk used for actual aircraft operation for normal brake life cycles.

3개의 회전자(디스크 # 2, 3 및 4)를 나중에 설명하게 되는 회전자 디스크 # 3과 유사한 공정 조건하에서 별도로 치밀화하였다. 각 회전자를 도1 및 도6에 도시된 형태의 반응기 내에 들어 있는 시클로헥산 내에 침지시켰다. 치밀화의 말기에, 회전자의 벌크 밀도는 원래 설비의 탄소 브레이크 회전자의 벌크 밀도와 거의 동일했다.The three rotors (discs # 2, 3 and 4) were separately densified under process conditions similar to rotor disk # 3 as described later. Each rotor was immersed in cyclohexane contained in the reactor of the type shown in FIGS. At the end of the densification, the bulk density of the rotor was about the same as the bulk density of the carbon brake rotor of the original plant.

공정 조건: 탄소 브레이크 회전자 디스크 # 3의 치밀화Process Condition: Densification of Carbon Brake Rotor Disk # 3 공정 경과 시간시간 : 분Process elapsed time 전압^a Voltage ^a 전력^b Power ^b 주파수^c Frequency ^c VoltsVolts KwattsKwatts KHzKHz 00 232.00232.00 28.5028.50 15.7515.75 0 : 100: 10 244.00244.00 30.0030.00 16.0016.00 0 : 200: 20 256.00256.00 31.5031.50 16.2516.25 0 : 300: 30 260.00260.00 33.0033.00 16.7516.75 0 : 400: 40 276.00276.00 35.2535.25 17.0017.00 0 : 500: 50 284.00284.00 37.5037.50 17.2517.25 1 : 001: 00 288.00288.00 39.0039.00 17.5017.50 1 : 101: 10 296.00296.00 41.1041.10 17.6317.63 1 : 201: 20 308.00308.00 43.5043.50 17.7517.75 1 : 301: 30 312.00312.00 45.0045.00 18.0018.00 1 : 401: 40 320.00320.00 46.8046.80 18.1318.13 1 : 501: 50 328.00328.00 48.7548.75 18.2518.25 2 : 002: 00 332.00332.00 51.0051.00 18.5018.50 2 : 102: 10 336.00336.00 52.5052.50 18.7518.75 2 : 202: 20 344.00344.00 54.4554.45 19.0019.00 2 : 302: 30 352.00352.00 56.4056.40 19.2519.25 2 : 402: 40 356.00356.00 58.5058.50 19.2519.25 2 : 502: 50 360.00360.00 60.3060.30 19.3819.38 3 : 003: 00 372.00372.00 62.1062.10 19.5019.50 3 : 103: 10 376.00376.00 64.0564.05 19.7519.75 3 : 203: 20 공정 종료Process termination

a: 공정에 사용된 전원의 전체적인 전압이 800 V였다.a: The total voltage of the power supply used for the process was 800V.

b: 공정에 사용된 전원의 전체적인 전력이 150 kW였다.b: The total power of the power source used in the process was 150 kW.

c: 공정에 사용된 전원의 전체적인 주파수가 25 KHz였다.c: The overall frequency of the power source used in the process was 25 KHz.

탄소 브레이크 회전자 디스크의 표면 온도는 치밀화 공정 중에 거의 800 내지 1,100 ℃로 개산되었다. 시클로헥산 내에서 내부 온도를 2.0 내지 3.5 시간 동안 950 내지 1100 ℃로 가열함으로써 마모된 탄소 브레이크 부품을 원래의 설비와 적어도 같은 밀도, 또는 항공기 작동에 사용되는 동일한 크기의 대표적인 개장된 탄소 브레이크 부품, 밀도 및 조성으로 개장하는 데 충분한 것으로 관찰되었다.The surface temperature of the carbon brake rotor disk was estimated to be approximately 800 to 1,100 ° C. during the densification process. By heating the internal temperature to 950-1100 ° C. for 2.0 to 3.5 hours in cyclohexane, the worn carbon brake parts are at least the same density as the original installation, or representative refurbished carbon brake parts of the same size used for aircraft operation, density And sufficient to retrofit into the composition.

치밀화의 후속 공정으로서, 치밀화된 회전자 시료를 1800, 2100 및 2400 ℃의 온도의 아르곤 분위기 하에서 2시간 동안 후처리하였다.As a subsequent process of densification, the densified rotor samples were worked up for 2 hours under argon atmosphere at temperatures of 1800, 2100 and 2400 ° C.

작은 크기의 시험 시편[3.18 cm(1.25 inch)의 외경과 2.16 cm(0.85 inch)의 내경을 가짐]을 각 회전자에 고정된 지점들로부터 가공하고, 마모 및 마찰 시험 전에 시험 시편의 내측 및 외측 연부에 산화 방지 도료를 도포했다.Small test specimens (3.18 cm (1.25 inch) outer diameter and 2.16 cm (0.85 inch) inner diameter) are machined from the fixed points on each rotor, and the inner and outer sides of the test specimen before wear and friction testing. An antioxidant paint was applied to the edge.

〈실시예 3〉<Example 3>

미시간 대학에서의 복합 시험 및 분석에 사용된 F-16 항공기(착륙시 210 노트의 속도) 시험 장치의 착륙 조건 중의 마모 및 성능을 모의시험하기 위하여 다음과 같은 파라미터를 설정했다.The following parameters were set to simulate the wear and performance during landing conditions of the F-16 aircraft (speed of landing at 210 knots) test equipment used for compound testing and analysis at the University of Michigan.

시편의 회전 속도: 116.4 kg(257 lbs)Specimen rotation speed: 116.4 kg (257 lbs)

전속에서 디스크에 인가된 법선력: 31,500 rpmNormal force applied to the disc at full speed: 31,500 rpm

[디스크 표면 상의 압력: 27.417 kg/cm²(390 psi)][Pressure on Disc Surface: 27.417 kg / cm ² (390 psi)]

이들 파라미터는 F-16 항공기의 착륙 중에 일어나는 다음과 같은 최대 조건을 모의시험하는 모델을 만든다.These parameters create a model that simulates the following maximum conditions that occur during the landing of an F-16 aircraft.

제동 표면의 최대 속도: 5370 cm/sec(2114 inch/sec)Speed of braking surface: 5370 cm / sec (2114 inch / sec)

브레이크 디스크들 사이의 최대 접촉 압력: 27.42 kg/cm²(390 psi)Contact pressure between brake discs: 27.42 kg / cm ² (390 psi)

영(zero) 속도에서의 제동 표면의 최대 온도: 815 ℃Maximum temperature of the braking surface at zero speed: 815 ° C

회전자 시편을 10회 사이클 동안 시험하고 마모 정도를 측정했다. 표면 불완전 효과를 없애기 위해 최종 5회 사이클 중에 수집된 데이터만을 사용하여 마찰계수 계산을 수행하였다. 아래에 도시된 결과는 새로운 브레이크와 마모된 브레이크 제어 시편에서 수집된 데이터를 비교한 것이다. "마모" 브레이크 시편은 전형적으로 개장된 마모 브레이크를 나타내는데, 즉 두개의 마모 디스크가 연마되어 하나의 원래의 설비 브레이크 디스크 대신에 사용된다.Rotor specimens were tested for 10 cycles and the degree of wear was measured. Friction coefficient calculations were performed using only data collected during the last five cycles to eliminate surface imperfections. The results shown below compare the data collected from new and worn brake control specimens. "Wear" brake specimens typically represent retrofit wear brakes, ie two wear discs are ground and used in place of one original plant brake disc.

10회의 제동 사이클 후의 마모 결과Wear Result After Ten Braking Cycles 회전자 시편Rotor specimen 시편 형태Specimen form 시료 마모 (mm)Sample wear (mm) 새 디스크 - 1aNew disk-1a 새 디스크New disc 0.060.06 새 디스크 - 1bNew disk-1b 새 디스크New disc 0.070.07 새 디스크 - 2aNew disk-2a 새 디스크New disc 0.070.07 새 디스크 - 2bNew disk-2b 새 디스크New disc 0.090.09 새 디스크 - 3aNew disk-3a 새 디스크New disc 0.070.07 새 디스크 - 3bNew disk-3b 새 디스크New disc 0.050.05 마모 디스크 - 1a^a Wear disc-1a ^a 마모 디스크Wear disc N/AN / A 마모 디스크 - 1b^a Wear disc-1b ^a 마모 디스크Wear disc N/AN / A 마모 디스크 - 2aWear disc-2a 마모 디스크Wear disc 0.070.07 마모 디스크 - 2bWear disc-2b 마모 디스크Wear disc 0.080.08 마모 디스크 - 3aWear disc-3a 마모 디스크Wear disc 0.080.08 마모 디스크 - 3bWear disc-3b 마모 디스크Wear disc 0.100.10 실험 (후가열 없음)Experiment (no postheating) RD - 1a (디스크 #3)RD-1a (Disk # 3) RD^TM만RD ^TM only 0.050.05 RD - 1b 〃RD-1b 〃 RD^TM만RD ^TM only 0.060.06 RD - 2a 〃RD-2a 〃 RD^TM만RD ^TM only 0.0450.045 RD - 2b 〃RD-2b 〃 RD^TM만RD ^TM only 0.050.05 RD - 3a^b(디스크 #4)RD-3a ^b (disk # 4) RD^TM만RD ^TM only N/AN / A RD - 3b^b〃RD-3b ^b 〃 RD^TM만RD ^TM only N/AN / A 실험 (후가열 있음)Experiment (with post-heating) HT - 1a (디스크 #3)HT-1a (disk # 3) (1800℃) 열처리(1800 ℃) heat treatment 0.070.07 HT - 1b 〃HT-1b 〃 (1800℃) 열처리(1800 ℃) heat treatment 0.060.06 HT - 2a 〃HT-2a 〃 (2100℃) 열처리(2100 ℃) heat treatment 0.030.03 HT - 2b (디스크 #3)HT-2b (Disk # 3) (2100℃) 열처리(2100 ℃) heat treatment 0.030.03 HT - 3a (디스크 #4)HT-3a (Disk # 4) (2400℃) 열처리(2400 ℃) heat treatment 0.170.17 HT - 3b 〃HT-3b 〃 (2400℃) 열처리(2400 ℃) heat treatment 0.340.34

a: 시험 중에 갈라진 시료a: sample cracked during testing

b: 초과된 최대 시험 온도b: maximum test temperature exceeded

최종 5회의 제동 사이클^a에 대한 각 시편 쌍의 마찰계수Coefficient of friction for each pair of specimens for the last five braking cycles ^a

회전자 시편Rotor specimen 66 77 88 99 1010 평균Average 새 디스크 - 1a, 1bNew disk-1a, 1b 0.320.32 0.320.32 0.300.30 0.300.30 0.310.31 0.310.31 새 디스크 - 2a, 2bNew disk-2a, 2b 0.310.31 0.310.31 0.290.29 0.270.27 0.280.28 0.290.29 새 디스크 - 3a, 3bNew disk-3a, 3b 0.290.29 0.310.31 0.260.26 0.270.27 0.260.26 0.280.28 마모 디스크 - 1a, 1bWear discs-1a, 1b n/an / a n/an / a n/an / a n/an / a n/an / a n/an / a 마모 디스크 - 2a, 2bWear discs-2a, 2b 0.240.24 0.230.23 0.230.23 0.240.24 0.220.22 0.230.23 마모 디스크 - 3a, 3bWear discs-3a, 3b 0.240.24 0.250.25 0.250.25 0.230.23 0.230.23 0.240.24 실험 (후가열 없음)Experiment (no postheating) RD - 1a, 1b (디스크 #3)RD-1a, 1b (disk # 3) 0.290.29 0.290.29 0.270.27 0.280.28 0.280.28 0.280.28 RD - 2a, 2b (디스크 #3)RD-2a, 2b (disk # 3) 0.330.33 0.300.30 0.310.31 0.310.31 0.300.30 0.310.31 RD - 3a, 3b (디스크 #4)RD-3a, 3b (disk # 4) n/an / a n/an / a n/an / a n/an / a n/an / a n/an / a 실험 (후가열 있음)Experiment (with post-heating) HT - 1800℃ 1a, 1b (디스크 #3)HT-1800 ℃ 1a, 1b (Disc # 3) 0.330.33 0.330.33 0.320.32 0.330.33 0.340.34 0.330.33 HT - 2100℃ 2a, 2b (디스크 #3)HT-2100 ℃ 2a, 2b (Disc # 3) 0.290.29 0.290.29 0.290.29 0.280.28 0.270.27 0.280.28 HT - 2400℃ 3a, 3b (디스크 #4)HT-2400 ℃ 3a, 3b (Disk # 4) 0.400.40 0.400.40 0.380.38 0.350.35 0.340.34 0.370.37

각 시험 사이클을 통해서 수집된 데이터는 법선력, 토크 및 온도를 포함한다. 마찰력 F는 마찰계수 μ 및 법선력 N과의 사이에 F = μN의 관계를 갖는다. 디스크에 부과된 토크는 마찰계수에 디스크의 평균 반경을 곱한 값, 즉 T = Fr_m으로 주어진다. μ를 구하면, μ = T/Nr_m이다. 대표적인 시험 사이클에서, 최대 온도는 시험 사이클로의 약 7초 동안 일어난다. 이 시간 간격에서 고정 디스크 상에 부과된 토크는 40.27 cm-kg(35 in-lb)이었다. 이 값을 111.9 kg(247 lb)인 기록된 시료의 법선력과 1.334 cm(0.525 inch)인 평균 반경과 함께 방정식에 대입하면 마찰계수는 0.27이다.The data collected through each test cycle includes normal force, torque and temperature. The friction force F has a relationship of F = μN between the friction coefficient μ and the normal force N. The torque imposed on the disk is given by the coefficient of friction multiplied by the average radius of the disk, ie T = Fr _m . If μ is found, μ = T / Nr _m . In a representative test cycle, the maximum temperature occurs for about 7 seconds into the test cycle. The torque imposed on the fixed disk at this time interval was 40.27 cm-kg (35 in-lb). Substituting this value into the equation with the normal force of the recorded sample of 111.9 kg (247 lb) and the average radius of 1.334 cm (0.525 inch), the coefficient of friction is 0.27.

이 결과는 절반 두께의 F-16 항공기 브레이크를 상기에 설명한 개장 방법에 노출시키면 브레이크의 마모 및 마찰 특성이 실질적으로 증가하게 되는 것을 보여준다. 이들 시험에서, 개장 방법을 사용하면 후 가열 처리를 하지 않는 경우에도 소정의 마모 특성이 마찰계수를 위험하게 하지 않으면서 새로운 또는 전형적으로 개장된 브레이크의 마모 특성을 만족시키거나 초과하게 된다.These results show that exposing the half-thickness F-16 aircraft brakes to the retrofit method described above substantially increases the wear and friction characteristics of the brakes. In these tests, the retrofit method allows certain wear characteristics to meet or exceed the wear characteristics of new or typically retrofitted brakes, even without post-heating treatment, without jeopardizing the coefficient of friction.

표 2의 마모 데이터는 3시간의 치밀화 사이클을 사용하여 처리된 시료가 새로운 브레이크 시료의 평균 마모보다 25 % 적은 것을 보여준다. 또한, 표 2의 데이터는 시료 상에서의 후 열처리 사이클의 결과를 도시한다. 이 데이터는 제한적이기는 하지만 개장 공정이 재료의 마모 특성 및 마찰계수 양자를 변경시킨 후에 브레이크를 상승된 온도에 노출시킬 것을 제안하고 있다. 2100 ℃에서 후 열처리된 개장된 시편 쌍으로부터 취한 데이터는 56 % 덜 마모된 것을 보여주고 새로운 브레이크 시료에서와 같은 평균 마찰계수를 갖는다.The wear data in Table 2 shows that the samples treated using a three hour densification cycle are 25% less than the average wear of new brake samples. The data in Table 2 also shows the results of the post heat treatment cycles on the samples. Although this data is limited, it suggests that the retrofit process exposes the brake to elevated temperatures after changing both the material's wear characteristics and the coefficient of friction. Data taken from retrofitted pairs of specimens heat-treated at 2100 ° C. showed 56% less wear and had the same coefficient of friction as for new brake samples.

여기에 예시된 것들과는 다른 공정 조건을 사용하여 마모 브레이크를 개장할 수도 있고, 적절한 조건을 선택하여 다양한 브레이크 부품, 장치의 크기 및 설계, 액체 탄소 전구체 및 공정 조건에 특별히 맞도록 할 수 있다. 공정 조건은 감수체를 사용하거나 사용하지 않고 다중 탄소 브레이크 부품을 동시에 처리하도록 조정될 수도 있다. 단지 필요한 요건은 조건들이 항공기 브레이크 작동에 충분한 마찰계수, 마모 및 열특성에 의한 특징을 갖는 탄소/탄소 혼합물 미세구조를 만들며, 화학 증착 공정은 신속하게, 즉 48시간 내에, 바람직하게는 24시간 내에 신속하게 완료되어야 한다는 것이다.Abrasion brakes may be retrofitted using process conditions other than those illustrated herein, and appropriate conditions may be selected to suit particular needs for various brake components, device sizes and designs, liquid carbon precursors, and process conditions. Process conditions may be adjusted to process multiple carbon brake components simultaneously with or without decompressors. The only requirement is that the conditions produce a carbon / carbon mixture microstructure characterized by sufficient coefficients of friction, wear and thermal properties for aircraft brake operation, and the chemical vapor deposition process is rapid, i.e. within 48 hours, preferably within 24 hours. It must be completed quickly.

따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 기술사상 및 범위에 의해서만 한정된다.Accordingly, the invention is limited only by the spirit and scope of the appended claims.

Claims (23)

항공기용의 마모된 탄소 브레이크 부품을 개장하기 위한 신속 화학 증착 방법에 있어서,A rapid chemical vapor deposition method for retrofitting worn carbon brake components for an aircraft, a) 적어도 하나의 기하학적 중심 구역을 구비한 내부 구역과 외부면으로 형성된 구멍을 갖는 적어도 하나의 마모된 탄소 브레이크 부품을 다공성 구조를 치밀화하기 위한 것으로 액체 탄소 전구체를 내장하고 적어도 하나의 내부 유도 코일을 내장하도록 구성된 반응기 내에 들어 있는 액체 탄소 전구체 내에 위치시키는 단계와,a) densifying the porous structure of at least one worn carbon brake component having an inner region with at least one geometric center zone and a hole formed in the outer surface, the liquid carbon precursor embedded therein and the at least one inner induction coil Positioning in a liquid carbon precursor contained within a reactor configured to be embedded; b) 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역을 액체 탄소 전구체의 분해 온도 이상의 온도로 유도 가열하여 액체 탄소 전구체로부터 증기의 형성과 증기의 내부 구역으로의 침투 및 내부 구역 내에서의 열분해 탄소의 침전을 수행하는 단계를 포함하며,b) induction heating of the inner zone of the worn carbon brake component to a temperature above the decomposition temperature of the liquid carbon precursor to form vapor from the liquid carbon precursor and to penetrate the inner zone of the vapor and to precipitate pyrolytic carbon within the inner zone. Including the steps of: 개장 후에, 마모된 탄소 브레이크 부품이 항공기에 사용되고 있는 것과 동일한 크기, 밀도 및 조성의 탄소 브레이크 부품에서와 적어도 동일한 미세구조 및 마찰 마모 특성을 갖는 것을 특징으로 방법.After refurbishment, the worn carbon brake component has at least the same microstructure and friction wear characteristics as in a carbon brake component of the same size, density and composition as is used in an aircraft. 제1항에 있어서, 반응기가 기화된 액체 탄소 전구체를 응축하고 액체 탄소 전구체를 반응기에 복귀시키기 위한 응축기에 연결된 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein the reactor is connected to a condenser for condensing the vaporized liquid carbon precursor and returning the liquid carbon precursor to the reactor. 제1항에 있어서, 화학 증착이 완료된 후에, 개장된 탄소 브레이크를 1500 내지 2400 ℃의 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, further comprising heating the retrofitted carbon brake to a temperature of 1500 to 2400 ° C. after the chemical deposition is complete. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 마모된 탄소 브레이크 부품이 시클로헥산 내에서 950 내지 1100 ℃의 내부 온도와 800 내지 1100 ℃의 외부 온도로 2.0 내지 3.5시간 동안 유도 가열됨으로써 완전히 개장되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1, wherein at least one worn carbon brake component is fully retrofitted by induction heating in cyclohexane for 2.0 to 3.5 hours at an internal temperature of 950 to 1100 ° C and an external temperature of 800 to 1100 ° C. Way. 제1항에 있어서, a) 마모된 탄소 브레이크 부품의 기하학적 중심 구역 내에 위치한 구멍에서 우선적으로 증기의 열분해 및 침전을 일으키기에 충분한 온도에 도달하도록 마모된 탄소 브레이크 부품의 기하학적 중심 구역에서 충분한 열을 축적하는 데 효과적인 초기 주파수 및 전력을 유도 코일에 대하여 설정하는 단계와,2. The system of claim 1, wherein a) accumulates sufficient heat in the geometric center region of the worn carbon brake component to reach a temperature sufficient to cause pyrolysis and precipitation of vapor in a hole located within the geometric center region of the worn carbon brake component. Setting an initial frequency and power for the induction coil effective to b) 마모된 탄소 브레이크 부품의 다른 내부 구역과 외부면을 동시에 치밀화하지 않으면서 기하학적 중심을 치밀화하기 위하여 마모된 탄소 브레이크 부품의 기하학적 중심 구역을 충분한 온도로 가열하기에 충분한 초기 주파수로 유도 코일에 초기 전력량을 공급하는 단계와,b) Initializing the induction coil at an initial frequency sufficient to heat the geometric center region of the worn carbon brake component to a sufficient temperature to densify the geometric center without simultaneously densifying other inner regions and outer surfaces of the worn carbon brake component. Supplying power, c) 마모된 탄소 브레이크 부품의 기하학적 중심 구역을 치밀화한 후에, 기하학적 중심 구역에 인접한 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역에 위치한 구멍들에서 우선적으로 증기의 열분해 및 침전을 일으키도록 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역에서의 충분한 열 축적에 효과적인 하나 이상의 설정 주파수에서 유도 코일에 설정 전력량을 공급하는 단계와,c) after densifying the geometric center region of the worn carbon brake part, the openings of the worn carbon brake part preferentially cause pyrolysis and precipitation of steam in the holes located in the inner region of the worn carbon brake part adjacent to the geometric center region. Supplying a set amount of power to the induction coil at one or more set frequencies effective for sufficient heat accumulation in the interior zone; d) 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역을 기하학적 중심 구역으로부터 마모된 탄소 브레이크 부품의 두께를 통해서 반경 방향 외측으로 가면서 점진적으로 치밀화하는 데 효과적인 하나 이상의 설정 주파수에서 유도 코일에 공급되는 전력량을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.d) adjusting the amount of power supplied to the induction coil at one or more set frequencies effective to gradually densify the inner zone of the worn carbon brake component radially outward from the geometric center zone through the thickness of the worn carbon brake component; Method further comprising a. 제4항에 있어서, 화학 증착 단계가 1/2 내지 4기압에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 4 wherein the chemical vapor deposition step is performed at 1/2 to 4 atmospheres. 제1항에 있어서, 액체 탄소 전구체가 적어도 하나의 C5 내지 C9 액체 탄화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the liquid carbon precursor comprises at least one C5 to C9 liquid hydrocarbon. 제7항에 있어서, 액체 탄소 전구체가 시클로펜탄, 헥산, 시클로헥젠, 1-헥젠, 시클로헥산, 가솔린, 메틸 시클로헥산, 벤젠 및 톨루엔 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.8. The method of claim 7, wherein the liquid carbon precursor is selected from the group consisting of cyclopentane, hexane, cyclohexene, 1-hexene, cyclohexane, gasoline, methyl cyclohexane, benzene and toluene or mixtures thereof. 제1항에 있어서, 개장된 탄소 브레이크의 마찰계수가 항공기에 사용되는 것과 동등한 탄소 브레이크 부품의 마찰계수와 적어도 같은 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the coefficient of friction of the retrofitted carbon brake is at least equal to the coefficient of friction of the carbon brake component equivalent to that used in an aircraft. 제9항에 있어서, 개장 탄소 브레이크 부품을 항공기에 사용하는 동안의 퍼센티지 마모가 사용중인 항공기에 있는 것과 동등한 탄소 브레이크 부품의 퍼센티지 마모와 적어도 같은 것을 특징으로 하는 방법.10. The method of claim 9, wherein the percentage wear while using the retrofit carbon brake part in an aircraft is at least equal to the percentage wear of the carbon brake part equivalent to that in the aircraft in use. 제1항에 있어서, 마모된 탄소 브레이크 부품이 탄소 회전자, 탄소 고정자, 탄소 단부판 및 탄소 압력판으로 이루어진 군으로부터 선택된 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 1 wherein the worn carbon brake component is selected from the group consisting of a carbon rotor, a carbon stator, a carbon end plate and a carbon pressure plate. 항공기용의 마모된 탄소 브레이크 부품을 개장하기 위한 신속 화학 증착 방법에 있어서,A rapid chemical vapor deposition method for retrofitting worn carbon brake components for an aircraft, a) 적어도 하나의 기하학적 중심 구역을 구비한 내부 구역과 외부면으로 형성된 구멍을 갖는 적어도 하나의 마모된 탄소 브레이크 부품을 다공성 구조를 치밀화하기 위한 것으로 액체 탄소 전구체를 내장하고 마모된 탄소 브레이크 부품에의 전기 접속을 이루도록 구성된 커넥터를 갖춘 적어도 한 세트의 전극 및 적어도 하나의 전원을 구비하고 마모된 탄소 브레이크 부품을 가열하는 수단을 내장하도록 구성된 반응기 내에 들어 있는 액체 탄소 전구체 내에 위치시키는 단계와,a) at least one worn carbon brake part having an inner region with at least one geometric center zone and a hole formed in the outer surface for densifying the porous structure, having a liquid carbon precursor embedded therein and Positioning in a liquid carbon precursor contained in a reactor having at least one set of electrodes with a connector configured to make electrical connections and a means having at least one power source and configured to heat a worn carbon brake component; b) 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역을 액체 탄소 전구체의 분해 온도 이상의 온도로 저항 가열하도록 마모된 탄소 브레이크 부품에 충분한 전력을 공급하여 액체 탄소 전구체로부터 증기의 형성과 증기의 내부 구역으로의 침투 및 내부 구역 내에서의 열분해 탄소의 침전을 수행하는 단계를 포함하며,b) supplying sufficient power to the worn carbon brake component to resistively heat the inner region of the worn carbon brake component to a temperature above the decomposition temperature of the liquid carbon precursor, thereby forming vapor from the liquid carbon precursor and penetrating into the inner region of the steam; Carrying out precipitation of pyrolytic carbon in the inner zone, 개장 후에, 마모된 탄소 브레이크 부품이 항공기에 사용되고 있는 것과 동일한 크기, 밀도 및 조성의 탄소 브레이크 부품에서와 적어도 동일한 미세구조 및 마찰 마모 특성을 갖는 것을 특징으로 방법.After refurbishment, the worn carbon brake component has at least the same microstructure and friction wear characteristics as in a carbon brake component of the same size, density and composition as is used in an aircraft. 제12항에 있어서, 반응기가 기화된 액체 탄소 전구체를 응축하고 액체 탄소 전구체를 반응기에 복귀시키기 위한 적어도 하나의 응축기에 연결된 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 12, wherein the reactor is connected to at least one condenser for condensing the vaporized liquid carbon precursor and returning the liquid carbon precursor to the reactor. 제12항에 있어서, 화학 증착이 완료된 후에, 개장된 탄소 브레이크 부품을 1500 내지 2400 ℃의 온도로 가열하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 12, further comprising heating the retrofitted carbon brake component to a temperature of 1500 to 2400 ° C. after the chemical deposition is complete. 제12항에 있어서, 적어도 하나의 마모된 탄소 브레이크 부품이 시클로헥산 내에서 950 내지 1100 ℃의 내부 온도와 800 내지 1100 ℃의 외부 온도로 2.0 내지 3.5시간 동안 가열됨으로써 완전히 개장되는 것을 특징으로 하는 방법.The method of claim 12, wherein the at least one worn carbon brake component is fully retrofitted by heating in cyclohexane for 2.0 to 3.5 hours at an internal temperature of 950 to 1100 ° C. and an external temperature of 800 to 1100 ° C. . 제12항에 있어서, a) 기하학적 중심 구역을 포함하여 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역에 위치한 구멍들에서 우선적으로 증기의 열분해 및 침전을 일으키도록 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역에 충분한 열을 축적하는 데 효과적인 초기 주파수 및 전원을 한 세트의 전극에 대하여 설정하는 단계와,13. The system of claim 12, wherein a) accumulates sufficient heat in the inner region of the worn carbon brake component to cause thermal decomposition and precipitation of vapor preferentially in the holes located in the inner region of the worn carbon brake component including the geometric center region. Setting an initial frequency and power source for the set of electrodes effective to b) 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역을 기하학적 중심 구역으로부터 반경 방향 외측으로 가면서 점진적으로 치밀화하는 데 효과적인 하나 이상의 설정 주파수에서 한 세트의 전극에 공급되는 전력량을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.b) adjusting the amount of power supplied to the set of electrodes at one or more set frequencies effective for progressively densifying the inner region of the worn carbon brake component radially outward from the geometric center region. How to. 제12항에 있어서, 화학 증착 단계가 1/2 내지 4기압에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.13. The method of claim 12, wherein the chemical vapor deposition step is performed at 1/2 to 4 atmospheres. 제12항에 있어서, 액체 탄소 전구체가 적어도 하나의 C5 내지 C9 액체 탄화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.13. The method of claim 12, wherein the liquid carbon precursor comprises at least one C5 to C9 liquid hydrocarbon. 제18항에 있어서, 액체 탄소 전구체가 시클로펜탄, 헥산, 시클로헥젠, 1-헥젠, 시클로헥산, 가솔린, 메틸 시클로헥산, 벤젠 및 톨루엔 또는 이들의 혼합물로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.19. The method of claim 18, wherein the liquid carbon precursor is selected from the group consisting of cyclopentane, hexane, cyclohexene, 1-hexene, cyclohexane, gasoline, methyl cyclohexane, benzene and toluene or mixtures thereof. 제12항에 있어서, 개장된 탄소 브레이크의 마찰계수가 항공기에 사용되는 것과 동등한 탄소 브레이크 부품의 마찰계수와 적어도 같은 것을 특징으로 하는 방법.13. The method of claim 12, wherein the coefficient of friction of the retrofitted carbon brake is at least equal to the coefficient of friction of the carbon brake component equivalent to that used in the aircraft. 제20항에 있어서, 개장된 탄소 브레이크 부품의 퍼센티지 마모가 사용중인 항공기에 있는 것과 동등한 탄소 브레이크 부품의 퍼센티지 마모와 적어도 같은 것을 특징으로 하는 방법.21. The method of claim 20, wherein the percentage wear of the retrofitted carbon brake parts is at least equal to the percentage wear of the carbon brake parts equivalent to that in the aircraft in use. 제12항에 있어서, 마모된 탄소 브레이크 부품 전체 또는 일부가 유도 가열 수단 및 저항 가열 수단을 포함하는 수단으로 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.13. A method according to claim 12, wherein all or part of the worn carbon brake component is heated by means comprising induction heating means and resistance heating means. 제22항에 있어서, a) 마모된 탄소 브레이크 부품의 기하학적 중심 구역 내에 위치한 구멍에서 우선적으로 증기를 열분해하고 탄소를 침전시키기에 충분한 온도에 도달하도록 마모된 탄소 브레이크 부품의 기하학적 중심 구역에서 충분한 열을 축적하는 데 효과적인 초기 주파수 및 전력을 유도 코일에 대하여 설정하는 단계와,23. The method of claim 22, wherein a) sufficient heat is dissipated in the geometric center region of the worn carbon brake part to reach a temperature sufficient to preferentially pyrolyze steam and precipitate carbon in a hole located within the geometric center region of the worn carbon brake part. Setting an initial frequency and power for the induction coil effective to accumulate; b) 마모된 탄소 브레이크 부품의 다른 내부 구역과 외부면을 동시에 치밀화하지 않으면서 마모된 탄소 브레이크의 기하학적 중심을 치밀화하기에 충분한 초기 주파수로 유도 코일에 초기 전력량을 공급하는 단계와,b) supplying an initial amount of power to the induction coil at an initial frequency sufficient to densify the geometric center of the worn carbon brake without simultaneously densifying other inner zones and outer surfaces of the worn carbon brake component, c) 마모된 탄소 브레이크 부품의 기하학적 중심 구역을 치밀화 한 후에, 기하학적 중심 구역에 인접한 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역에 위치한 구멍들에서 우선적으로 증기의 열분해 및 침전을 일으키도록 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역에 충분한 열을 축적하는 데 효과적으로 설정된 하나 이상의 설정 주파수에서 유도 코일에 설정 전력량을 공급하는 단계와,c) after densifying the geometric center region of the worn carbon brake part, the opening of the worn carbon brake part to preferentially cause pyrolysis and precipitation of steam in the holes located in the inner region of the worn carbon brake part adjacent to the geometric center region. Supplying a set amount of power to the induction coil at one or more set frequencies effectively set to accumulate sufficient heat in the interior zone; d) 마모된 탄소 브레이크 부품을 저항 가열하도록 전극들을 통해서 마모된 탄소 브레이크 부품에 전류를 공급하는 단계와,d) supplying current to the worn carbon brake component through the electrodes to resistively heat the worn carbon brake component; e) 마모된 탄소 브레이크 부품의 내부 구역을 기하학적 중심 구역으로부터 마모된 탄소 브레이크 부품의 두께를 통해서 반경 방향 외측으로 가면서 점진적으로 치밀화하는 데 효과적인 하나 이상의 설정 주파수에서 유도 코일에 공급되는 전류량 및 전력량을 조정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.e) adjusting the amount of current and power supplied to the induction coil at one or more set frequencies effective to progressively densify the inner zone of the worn carbon brake component radially outward from the geometric center zone through the thickness of the worn carbon brake component; The method further comprises the step of.