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


圖1表示適用于本發(fā)明的一臺(tái)針刺設(shè)備的總示意布置圖。
圖2表示一種用圖1設(shè)備的針刺過程的詳圖。
圖3表示一種在圖2針刺過程中產(chǎn)生的Z-纖維束的詳圖。
圖4A表示用于確定最小纖維轉(zhuǎn)移距離之方法的第一部分。
圖4B表示用于確定最小纖維轉(zhuǎn)移距離之方法的第二部分。
圖5A表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面多次針刺中的第一次針刺。
圖5B表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面多次針刺的第二次針刺。
圖5C表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面多次針刺的第三次針刺。
圖5D表示根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面多次針刺的第四次針刺。
圖6表示圖5A-5D針刺的估算表面位置與針刺次數(shù)的曲線圖。
圖7A表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面多次針刺的第一次針刺。
圖7B表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面多次針刺的第二次針刺。
圖7C表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面多次針刺的第三次針刺。
圖7D表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面多次針刺的第四次針刺。
圖8表示圖7A-7B針刺時(shí)的估算表面位置與針刺次數(shù)的曲線圖。
圖9表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面說明含有纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)纖維層的針刺后的平均層厚度與纖維層數(shù)量的關(guān)系的壓實(shí)曲線圖。
圖10表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面說明氣流法纖維氈層厚度與針刺次數(shù)的關(guān)系的壓實(shí)曲線圖。
圖11表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，示出用于對(duì)每一纖維層定量永久性纖維轉(zhuǎn)移以及確定每一纖維層永久性纖維轉(zhuǎn)移的累積量的斜的行列式，以及單位面積上Z-纖維束的數(shù)量。
圖12表示某些變量與針刺過程的幾何結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。
圖13表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面，示出用于定量每一纖維層永久性纖維轉(zhuǎn)移和用于控制每一纖維層永久性纖維轉(zhuǎn)移的之累積量的斜的行列式，以及單位面積上Z-纖維束的數(shù)量。
圖14A表示用于確定圖13針刺2所要求的纖維轉(zhuǎn)移深度的一個(gè)數(shù)表。
圖14B表示用于確定圖13針刺3所要求的纖維轉(zhuǎn)移深度的另一個(gè)數(shù)表。
圖14C表示用于確定圖13針刺2所要求的纖維轉(zhuǎn)移深度的第三個(gè)數(shù)表。
圖15表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面具有預(yù)定Z-纖維分布的一種纖維結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖16表示用針刺法產(chǎn)生的一種典型的Z-纖維束。
圖17表示根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面用與圖15相類似的纖維結(jié)構(gòu)所形成的一種環(huán)狀制動(dòng)盤的截面圖。
圖18表示根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)方面具有預(yù)定Z-纖維分布的一種纖維結(jié)構(gòu)的截面圖。
圖19表示根據(jù)本發(fā)明又一個(gè)方面具有預(yù)定Z-纖維分布的另一種纖維結(jié)構(gòu)的截面圖。
本發(fā)明涉及一種用于形成纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)的工藝，根據(jù)本發(fā)明的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)適用于后續(xù)加工，在該后續(xù)加工過程中，連接基質(zhì)沉積在預(yù)成形結(jié)構(gòu)中，從而形成一種復(fù)合結(jié)構(gòu)。本發(fā)明尤其適用于形成纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)便于后續(xù)加工而成為碳/碳結(jié)構(gòu)，例如飛機(jī)制動(dòng)盤。后續(xù)加工通常包括熱解預(yù)成形結(jié)構(gòu)(當(dāng)其由前體材料形成時(shí))，以及沉積一種連接碳基質(zhì)。將碳基質(zhì)沉積在預(yù)成形結(jié)構(gòu)中可以根據(jù)已知的方法進(jìn)行，例如用碳蒸氣滲入法以及用碳蒸汽沉積法(CVI/CVD)，或者用一種在隨后進(jìn)行焦化的碳支撐瀝青或樹脂進(jìn)行重復(fù)浸漬的方法，或者采用任何一種相當(dāng)?shù)姆椒ā１景l(fā)明不對(duì)形成連接基質(zhì)或壓實(shí)纖維預(yù)在形結(jié)構(gòu)進(jìn)行描述，因?yàn)檫@些方法都是眾所周知的技術(shù)。盡管所描述的只涉及碳/碳復(fù)合物，但是，應(yīng)該明確地理解，本發(fā)明同樣可以用于形成多種適用于經(jīng)后續(xù)加工而成為陶瓷結(jié)構(gòu)以及碳/陶瓷復(fù)合結(jié)構(gòu)的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)。
以下根據(jù)附圖1-13說明本發(fā)明的各個(gè)方面，其中相同編號(hào)表示同一個(gè)部件。特別參見圖1，示意性地表示了一臺(tái)針刺設(shè)備8，針刺設(shè)備8適用于形成一種纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)，方法是將好幾個(gè)纖維層連接在一起，開始用至少兩個(gè)纖維層，用多次針刺法向該兩個(gè)纖維層上添加多個(gè)輔助纖維層，圖1所示只是一般性布置，因?yàn)檫@類裝置是眾所周知的。適用于本發(fā)明這類設(shè)備的具體實(shí)例在以下幾項(xiàng)專利中都有披露，由Olry申請(qǐng)的US4,790,052號(hào)專利(以下稱為′052號(hào)專利)，由Lawton等人申請(qǐng)的US4,955,123號(hào)專利(以下稱為′123號(hào)專利)，以及由Morris，Jr.等人申請(qǐng)的US5,217,770號(hào)專利(以下稱為′770號(hào)專利)。圖1所要表示的僅為任何一種這類設(shè)備的針刺區(qū)段，所以，本發(fā)明可適于采用根據(jù)第′052號(hào)專利所述設(shè)備形成一種片或“板”，或者根據(jù)第′123號(hào)以及′770號(hào)專利所述形成一種環(huán)形制品。所產(chǎn)生的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)在形狀上的任何變化都被認(rèn)為屬于本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
還是參見圖1，纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)20被表示在用設(shè)備8形成的工藝中，該纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)20被沉積在位于許多刺針14之下的支架即基板12上，刺針14固定于針板16內(nèi)，用刺針14可以穿入基板12，而且基板是用一種可穿透材料如泡沫塑料或刷毛制成，或者用一種帶有與刺針14一致的11孔以便于刺針穿入的非穿透材料如金屬或塑料制成。纖維結(jié)構(gòu)20由帶有形成外露表面44的一個(gè)頂層的纖維層組成，然后，使纖維結(jié)構(gòu)經(jīng)過一次針刺，在此過程中，當(dāng)纖維結(jié)構(gòu)20沿著箭頭34的方向在刺針下面經(jīng)過時(shí)，多根刺針14重復(fù)地刺入纖維結(jié)構(gòu)20中，在此所用的術(shù)語“纖維結(jié)構(gòu)”是指在產(chǎn)生的針刺期間放置位于刺針14下面的基板12上的所有纖維層。每一次或若干次針刺后就向纖維結(jié)構(gòu)上加入纖維層，但是，沒有必要在每次針刺時(shí)都向纖維結(jié)構(gòu)上加入纖維層。
可按照已知方法將刺針排成行，也可以將若干行刺針彼此平行排列，這樣，每次針刺，纖維結(jié)構(gòu)20的整個(gè)寬度都會(huì)受到針刺，刺針14的排列限定了針刺區(qū)域32。
用驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)18驅(qū)動(dòng)刺針14，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)18驅(qū)動(dòng)針板16，使其往復(fù)運(yùn)動(dòng)經(jīng)過一個(gè)固定的移動(dòng)范圍，這樣，多根刺針使纖維結(jié)構(gòu)20的纖維層中的纖維移位，產(chǎn)生在與內(nèi)表面層基本垂直的纖維層之間穿過的“Z-纖維束”。將附加層放在原先的纖維層上，并經(jīng)過附加的針刺過程，這使附加層連接在原先的纖維層上，加入附加層，直到達(dá)到最終要求的厚度為此，然后，不要加入附加層，對(duì)纖維結(jié)構(gòu)20進(jìn)行進(jìn)一步針刺。按照在前面已經(jīng)敘述過的已知方法，可以在后續(xù)的操作中對(duì)最終纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)20進(jìn)行加工。
按照現(xiàn)有技術(shù)中已知的方法，用基板調(diào)整機(jī)構(gòu)22調(diào)整相對(duì)于多根刺針14的支撐位置，在此，基板調(diào)整機(jī)構(gòu)包括起重螺桿24以及電機(jī)/齒輪箱26。必要時(shí)為了使基板12相對(duì)于多根刺針處于精確位置，控制器28通過控制線路30來控制基板調(diào)整機(jī)構(gòu)22?；?2按照箭頭34的方向驅(qū)動(dòng)，這樣，多根刺針就可以沿著纖維結(jié)構(gòu)20的長(zhǎng)度重復(fù)地刺進(jìn)外露表面44，也可接著使支撐沿著箭頭36的方向驅(qū)動(dòng)，這樣，就按照相反的方向針刺纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)，如第′052號(hào)專利所述。如果按照第′123號(hào)或者第′770號(hào)專利所述要形成環(huán)形結(jié)構(gòu)，則基板通常只能按一個(gè)方向驅(qū)動(dòng)，還有，當(dāng)刺針刺進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)20時(shí)，基板12可以連續(xù)地驅(qū)動(dòng)，或者，基板可以與驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)18同步驅(qū)動(dòng)，這樣，當(dāng)刺針14刺進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)20時(shí)，基板12就會(huì)暫時(shí)停止。任何一種這類的變化都屬于本發(fā)明的內(nèi)容，還有，在不違背本發(fā)明的情況下，設(shè)備8的各種部件可以按照不同方式進(jìn)行排列定位，例如，可以將設(shè)備8轉(zhuǎn)動(dòng)到側(cè)面，甚至當(dāng)有特殊應(yīng)用需要這種安置時(shí)，可以將其反向安置。
一種根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的工藝如圖2所示，其中含有至少兩個(gè)纖維層40a-40i的纖維結(jié)構(gòu)20位于裝在基板12上的多根刺針14的下面，如圖所示，纖維結(jié)構(gòu)20可以含有許多疊加的纖維層，這樣一疊纖維層可以變成很厚，這樣，刺針14根本無法刺穿所有的纖維結(jié)構(gòu)，將頂層纖維層40a放置在下面相鄰纖維層40b、40c、40d、40e、40f、40g、40h、以及40i上，頂層40a形成外露表面44，在該實(shí)施例中，直到頂層纖維層40a經(jīng)過針刺以后才與纖維層40b連接，在此過程中，纖維層40a-40i在多根刺針14下經(jīng)過，同時(shí)，多根刺針14重復(fù)地刺穿外露表面44，如圖中虛線所示，刺進(jìn)纖維結(jié)構(gòu)內(nèi)足夠的深度，以便使纖維層40a中的纖維永久性地轉(zhuǎn)移進(jìn)入下面相鄰的纖維層40b內(nèi)。由于頂層纖維層40a中的纖維永久性地轉(zhuǎn)移進(jìn)入纖維層40b以及其它在下的相鄰纖維層內(nèi)，針刺使頂層纖維層40a連接在纖維層40b上。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，對(duì)于每次針刺，都有纖維從纖維層的選定組46中被永久性地轉(zhuǎn)移。從一次針刺到下一次針刺，選定組纖維層可以發(fā)生變化，選擇選定組纖維層是與根據(jù)所要求最終預(yù)成形特性進(jìn)行預(yù)成形設(shè)計(jì)相關(guān)的事，不屬于本發(fā)明的內(nèi)容。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，選定組纖維層至少包括頂層纖維層40a，最好包括頂層纖維層40a以及至少一個(gè)相鄰的纖維層40b，在圖2所示的實(shí)施例中，選定組46包括纖維層40a、40b以及40c，在許多實(shí)際應(yīng)用中選定組纖維層可以包括三層以上的纖維層。
現(xiàn)在參見圖3，示出了由一根刺針14所產(chǎn)生的Z-纖維束66從頂層纖維層40a穿過，并向下經(jīng)過纖維結(jié)構(gòu)而進(jìn)入纖維層40b-40g內(nèi)，為了清楚起見，只顯示出了刺針14相對(duì)纖維結(jié)構(gòu)的一個(gè)側(cè)面，在此，刺針14有一個(gè)頂尖74，最靠近該頂尖74含有第一個(gè)針鉤68，第二個(gè)針鉤70與第一個(gè)針鉤68有一間隔，離開頂尖74則更遠(yuǎn)，而第三個(gè)針鉤72與第二個(gè)針鉤有一間隔，與頂尖74相距就更加遠(yuǎn)了。如圖所示，其它組針鉤沿著刺針14相互間隔分布，在所示的實(shí)施例中，當(dāng)刺針14刺進(jìn)纖維層40a-40f時(shí)，針鉤68、70以及72就與這些纖維層接觸，并且將這些纖維層中的纖維轉(zhuǎn)移。
通常作為碳前體材料使用的纖維如聚丙烯腈纖維(PAN)及氧化聚丙烯腈纖維(OPF)具有彈性，這種彈性使纖維拉回至其原纖維層上，除非這些纖維已經(jīng)轉(zhuǎn)移了至少最小一段距離。當(dāng)纖維層是用長(zhǎng)絲或連續(xù)長(zhǎng)絲制成時(shí)，無法獲得永久性纖維轉(zhuǎn)移，除非，纖維被轉(zhuǎn)移太遠(yuǎn)而引起纖維斷裂。溫度與濕度也有影響，在此所用的術(shù)語“永久性纖維轉(zhuǎn)移”指的是在針刺期間刺針14將纖維從一層轉(zhuǎn)移到至少相鄰一層內(nèi)，在刺針14從纖維結(jié)構(gòu)中退出后，已被轉(zhuǎn)移的上述纖維仍然保持被轉(zhuǎn)移狀態(tài)。增加纖維轉(zhuǎn)移深度僅0.5mm就能導(dǎo)致由非永久性纖維轉(zhuǎn)移變成永久性纖維轉(zhuǎn)移，這是一種出人意料的發(fā)現(xiàn)，所以，在針刺過程中，多根刺針14一起接觸及轉(zhuǎn)移選定組纖維層中的聚集纖維，若組成纖維層的纖維有拉回至其所述的原纖維層的趨向時(shí)，就不是100％的聚集纖維都被永久性地轉(zhuǎn)移了。
纖維長(zhǎng)度、纖維卷曲度以及纖維表面處理也會(huì)對(duì)永久性轉(zhuǎn)移產(chǎn)生影響，短纖維、或者有卷曲的纖維、或者有粗表面或鱗片狀(類似木頭)纖維就較少有拉回到其原纖維層的趨向。由帶有一種或幾種這類特性的纖維組成的纖維層的最小距離可以大大小于有相同組成的光滑的、非卷曲的、連續(xù)纖維組成的纖維層的最小距離，在這種情況下，由于纖維必須被轉(zhuǎn)移至少一定距離以便于附接到(另外的)纖維層，所以最小距離可以具有至少很小的臨界值。用帶有這些特性的纖維，基本上可以使100％的由多根刺針14接觸到的聚集纖維被永久性地轉(zhuǎn)移，因?yàn)榻M成纖維層的纖維具有極小拉回到其原纖維層的趨向。
所以，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，相對(duì)于頂層纖維層40a確定所要求的纖維轉(zhuǎn)移深度48，從而足以從選定組的纖維層46中獲得永久性纖維轉(zhuǎn)移，而不是從選定組纖維層46以外的纖維層中永久性地轉(zhuǎn)移大量的纖維。如果纖維層具有彈性，只有當(dāng)轉(zhuǎn)移深度超過最小距離50時(shí)，才能獲得永久性纖維轉(zhuǎn)移。
例如，將纖維從纖維層40a中轉(zhuǎn)移至深度52，大于最小距離50，這就意味著由纖維層40a中轉(zhuǎn)移的纖維得到了永久性轉(zhuǎn)移。同樣，將纖維從纖維層40b及40c中分別轉(zhuǎn)移至深度54及56，大于最小距離，這就是說，從纖維層40b及40c中轉(zhuǎn)移的纖維得到了永久性轉(zhuǎn)移。將纖維層40d、40e、40f、及40g中的纖維分別轉(zhuǎn)移至深度58、60、62及64，小于最小距離50，即是指纖維層40d至40g中轉(zhuǎn)移的纖維沒有獲得永久性轉(zhuǎn)移，從這些纖維層中轉(zhuǎn)移的纖維拉回至這些纖維層中，這樣，選定組纖維層46中的纖維得到永久性轉(zhuǎn)移，而選定組纖維層46以外的纖維層中沒有永久性地轉(zhuǎn)移大量纖維。
確定最小距離50的一種優(yōu)選方法如圖4A和4B所示。參見圖4A，將第一纖維層76放置在第二纖維層78上面，在第一纖維層76上形成外露表面80，第二纖維層78放置在基板12上，第一纖維層76基本上與圖3的上層40a相類似，而第2纖維層76基本上與圖3中的纖維層40b相類似。還是參見圖4A，用與用來形成如圖1-3所示的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)的針刺過程基本相同的方法，所用的刺針14基本上也與上述針刺過程所用的相似，通過重復(fù)將多根刺針刺進(jìn)露出表面80，經(jīng)過第一纖維層76又刺進(jìn)第二纖維層78中，這樣將纖維從第一纖維層76中轉(zhuǎn)移進(jìn)入第二纖維層中。為清楚起見，只示出一根刺針且只示出一個(gè)針鉤，基板12上沖鉆有與刺針14對(duì)齊的孔15，如圖所示，該孔15使得刺針14刺進(jìn)基板12內(nèi)，當(dāng)刺針14刺進(jìn)纖維層中時(shí)，纖維層76及78在箭頭90方向在該刺針14下面經(jīng)過，開始形成纖維轉(zhuǎn)移深度82，如圖所示，產(chǎn)生Z-纖維束84，但是由于纖維沒有被轉(zhuǎn)移距上層76足夠遠(yuǎn)的距離，所以Z-纖維束84又拉回到上層，被拉回的Z-纖維束部分用虛線所示?，F(xiàn)在參見圖4B，纖維轉(zhuǎn)移深度得到增加(通過使基板12朝著多根刺針14方向移動(dòng))直到第一纖維層剛剛開始連接到第二纖維層78上，此時(shí)，纖維轉(zhuǎn)移深度86等于最小距離50。由于轉(zhuǎn)移深度86很深，足以使上層76中的纖維永久性地轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生使兩個(gè)纖維層連接在一起的永久性纖維束88，這樣，第一纖維層76開始連接到第二纖維層78上。
也可以用以下辦法確定最小距離50，將纖維層76放置在多個(gè)先行針刺過的纖維層(纖維結(jié)構(gòu)或“板”)上，接著進(jìn)行增加針刺穿入深度的操作，直到完成達(dá)到纖維層76的連接為止。該方法可以更準(zhǔn)確地定量最小距離50，因?yàn)樵谛纬衫w維預(yù)成形結(jié)構(gòu)的過程剛開始時(shí)，纖維結(jié)構(gòu)含有兩層(如圖4所示)，由于只有兩層，Z-纖維束伸過底層而進(jìn)入基板內(nèi)，在大多數(shù)加工過程中，頂層纖維層被放置在先前已連接過的纖維結(jié)構(gòu)上，并對(duì)其進(jìn)行針刺(如圖2所示)，且Z-纖維束完全被包在纖維結(jié)構(gòu)之內(nèi)(如圖3所示)。不過，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，根據(jù)圖4的方法定量最小距離非常適合于實(shí)施本發(fā)明。
根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，每個(gè)纖維層40都含有三個(gè)單向的OPF纖維分層，它們被輕輕針刺在一起成為一個(gè)連接在一起的纖維層，每個(gè)分層的纖維方向相對(duì)于相鄰的分層轉(zhuǎn)動(dòng)60°，如第’052號(hào)專利的實(shí)施例1所示。在針刺操作開始之前，通過將第一單向網(wǎng)交叉折疊到第二縱向網(wǎng)上，從而形成每一纖維層的方向取向，所說的網(wǎng)較好的是用OPF纖維絲束形成，每絲束由320,000根長(zhǎng)絲組成。適用于實(shí)施本發(fā)明的OPF絲束由以下公司提供，它們是RK Carbon Fibres Limited of Muir of Ord，Scotland；和ZoltekCorporation of St.Louis，Missouri，U.S.A。非氧化PAN纖維(“生絲束”)可由Courtaulds Advanced Materials of Great Coats Crimsby，SouthHumberside，England提供。根據(jù)圖4方法用兩個(gè)OPF交叉折疊層形成的最小距離約為6.5-7.0毫米，所用的刺針是編號(hào)15×18×36×3.5C333G1002，由德國(guó)的Groz-Beckert公司提供。其刺入深度為大約6.5mm時(shí)纖維層剛開始連接在一起，而在大約7.0mm深度時(shí)則完全連接在一起。該實(shí)施例的OPF纖維幾乎沒有彎曲且具有很光滑的表面。最小距離取決于纖維層的特性以及在形成纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)中所用的針刺工藝，且根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。
轉(zhuǎn)移深度必須具有一定的可靠性，以便定量永久性纖維轉(zhuǎn)移，如圖3所示，相對(duì)于上層40a測(cè)定纖維轉(zhuǎn)移深度，再參見圖2，在針刺加工期間，最好相對(duì)于處于刺針14下面的外露表面44的估算表面位置92測(cè)定纖維轉(zhuǎn)移深度。在針刺期間，外露表面44離開刺針，這是由于當(dāng)纖維結(jié)構(gòu)經(jīng)過針刺區(qū)32時(shí)至少部分壓實(shí)上層40a。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，每次針刺的估算的表面位置這樣來確定，即通過測(cè)定外露表面44的預(yù)針刺的表面位置94、外露表面44的針刺后的表面位置96然后按比例平均預(yù)針刺的表面位置94及針刺后的表面位置96來確定針刺過程中的估算表面位置92。
如圖1所示，在纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)于刺針14下經(jīng)過針刺之前，用具有表面隨動(dòng)裝置100的第一轉(zhuǎn)換器98可以有效地測(cè)定預(yù)針刺的表面位置94，表面隨動(dòng)裝置100跟蹤外露表面44的位置。當(dāng)纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)在刺針14下經(jīng)過針刺處理以后，用具有表面隨動(dòng)裝置104的第二轉(zhuǎn)換器102可以有效地測(cè)定針刺后的表面位置，表面隨動(dòng)裝置104跟蹤外露表面44的位置，來自第一轉(zhuǎn)換器98和第二轉(zhuǎn)換器102的表面位置信息通過轉(zhuǎn)換器線路106及108被送到控制器28中，然后，控制器28處理該信號(hào)并測(cè)定在針刺過程中每一點(diǎn)的估算的表面位置。
用基本相似的方法通過預(yù)先形成基本相同的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)、以及在形成基本相同的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)期間通過測(cè)定預(yù)針刺的表面位置94及針刺后的表面位置96，也可以測(cè)定預(yù)針刺的表面位置94、針刺后的表面位置96以及此后估算的表面位置92。圖6和8，將會(huì)對(duì)這方面作更詳細(xì)的說明。
現(xiàn)在參見圖5A-5D，說明根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面的工藝，該工藝用于形成一種纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)，具體步驟是開始將兩個(gè)纖維層108及110連接在一起，再向上面加入附加的纖維層112、114、及116，將這幾個(gè)纖維層連接在一起。如圖5A所示，首先，對(duì)放置在位于多根刺針14下面之基板12上的兩個(gè)纖維層108及110進(jìn)行針刺，如前面所述，纖維層108、112、114、及116中的每一層都含有被輕輕針刺在一起而成為一個(gè)連接在一起的纖維層的三個(gè)單向的OPF纖維分層。基板12用金屬制成，最好開有使刺針14可以穿刺進(jìn)去的孔。在圖5A-5D中示出刺針14都處于其最靠下的移動(dòng)位置。在圖5A中，當(dāng)基板12按箭頭118方向驅(qū)動(dòng)時(shí)，在第一針刺的過程中，纖維由纖維層110中被永久性地轉(zhuǎn)移，經(jīng)過纖維層108而進(jìn)入基板12中。帶孔的基板如基板12根本不會(huì)夾持被轉(zhuǎn)移的纖維，由此該針刺過程不會(huì)使纖維層108及110產(chǎn)生充分的壓實(shí)，所以，預(yù)針刺的表面位置94與針刺后的表面位置96基本相同，這是一種驚奇的發(fā)現(xiàn)。
在圖5B中，當(dāng)基板沿著箭頭120的方向驅(qū)動(dòng)時(shí)，在第二針刺的過程中，加入附加纖維層112，并將其針刺到纖維層108及110上。此時(shí)，纖維層108及110開始?jí)簩?shí)，預(yù)針刺的表面位置94位于針刺后的表面位置96之上，產(chǎn)生估算表面位置92。在圖5C中當(dāng)基板沿著箭頭122的方向驅(qū)動(dòng)時(shí)，在第三次針刺的過程中，加入另一個(gè)纖維層114，并將其針刺到纖維層108、110及112上。纖維層114被壓實(shí)，而纖維層108、110及112被更進(jìn)一步壓實(shí)。在圖5D中基板沿著箭頭124的方向驅(qū)動(dòng)，在第四次針刺過程中，加入又一個(gè)纖維層116，并將其針刺到纖維層108、110、112及114上。頂層纖維層116被壓實(shí)，而纖維層108、110、112及114則經(jīng)過更進(jìn)一步的壓實(shí)。這樣，至少由于在頂層中的壓實(shí)和頂層纖維之下一組纖維層內(nèi)的壓實(shí)，被刺針刺進(jìn)的外露表面在針刺期間會(huì)離開刺針。在有些針刺過程中，前后兩次針刺時(shí)基板驅(qū)動(dòng)的方向可以不同，任何一種這樣的改變都屬于本發(fā)明的內(nèi)容。
代表圖5A-5D針刺過程中表面位置與針刺次數(shù)之間關(guān)系的實(shí)施例如圖6所示。第一次針刺表示圖5A，此時(shí)，將兩個(gè)纖維層放置在刺針下面，預(yù)針刺的表面位置幾乎與針刺后的表面位置相同，從第二次針刺開始，在每次針刺之前加入另外一個(gè)纖維層，第二次針刺代表圖5B，在刺針下面放有三個(gè)纖維層，如圖6所示，這三個(gè)纖維層開始?jí)簩?shí)。在與圖5C及5D相對(duì)應(yīng)的第三及第四次針刺過程中，加入附加纖維層，而且還圖示出了在第五及第六次針刺過程中加入另外兩個(gè)纖維層的數(shù)據(jù)。圖中表示了每次針刺步驟的估算表面位置，基本上是每次針刺的預(yù)針刺的表面位置與針刺后的表面位置之間的平均位置。還示出了每次針刺的壓實(shí)因子F，該壓實(shí)因子表示任何一次針刺后的厚度的修正，而且用于確定相對(duì)于針刺后的表面位置的估算表面位置。這樣，在頂層纖維層及下面幾個(gè)纖維層中作為壓實(shí)的補(bǔ)償就用壓實(shí)因子表示。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，用纖維結(jié)構(gòu)的預(yù)針刺的厚度與纖維結(jié)構(gòu)的針刺后的厚度之差值除以2，就可以計(jì)算出某次針刺的壓實(shí)因子。在控制或表示整個(gè)纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)厚度上Z-纖維分布特性的加工過程中，可以使用壓實(shí)因子。以下根據(jù)圖11和公式7及8將會(huì)對(duì)本發(fā)明的這一方面內(nèi)容作更詳細(xì)的說明。
圖7A-7D示出了表示本發(fā)明另一個(gè)方面內(nèi)容的又一個(gè)方法，在圖7A-7D中示出了多根刺針14靠在其最下的移動(dòng)位置，在圖7A中，將纖維層128放在位于多根刺針14之下的基板12上，基板12用金屬制成，并且沖有可以使刺針14刺進(jìn)的孔。將另一纖維層130放在纖維層128上，如前所述纖維層130含有被針刺在一起而成為一個(gè)連接在一起的纖維層的三個(gè)單向OPF纖維分層。纖維層128是由Morris等人申請(qǐng)的EP0530741A1號(hào)申請(qǐng)所介紹的一種800g/m2的預(yù)針刺的沖孔空氣法纖維網(wǎng)，在圖7A的第一針刺之前，纖維層128約為8-13毫米厚，纖維層130約為3毫米厚，這樣，纖維層128的預(yù)針刺的厚度比纖維層130的預(yù)針刺的厚度大很多，當(dāng)基板12沿著箭頭138的方向驅(qū)動(dòng)時(shí)，在第一針刺過程中，將纖維層130針刺到纖維層128上。
還是參見圖7A，在第一針刺期間，纖維層128及130被壓實(shí)了很大的量(這與圖5A的纖維層108及110不同)，從預(yù)針刺的表面位置94到針刺后的表面位置96發(fā)生了很大變化，在第一針刺期間，纖維層128中的壓實(shí)是由于幾個(gè)因素引起的，纖維層128由短纖維組成，當(dāng)用美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(ASTM)D1440時(shí)，短纖維平均長(zhǎng)度為25毫米或更短，當(dāng)對(duì)該纖維層進(jìn)行針刺時(shí)，該纖維層不具有太多的彈性特性。換言之，由刺針14從纖維層128中轉(zhuǎn)移出去的或轉(zhuǎn)移到該纖維層內(nèi)的纖維被永久性地轉(zhuǎn)移，因?yàn)樵摾w維是短纖維，而且?guī)缀醪豢赡芾氐狡淦鹗嘉恢蒙?，纖維層128也很厚，足以使永久性纖維轉(zhuǎn)移完在該纖維層內(nèi)起始和終止，還有，纖維層128很厚，足以夾持從纖維層130中轉(zhuǎn)移的纖維，最后一點(diǎn)，由于纖維層128厚，而且具有較少的纖維容量(單位體積的纖維量)，所以更易于壓實(shí)，另外它沒有事先經(jīng)過大量針刺。
在圖7B中，加入附加纖維層132，當(dāng)基板12按箭頭140的方向驅(qū)動(dòng)時(shí)，在第二針刺期間將附加纖維層132壓實(shí)，而纖維層128及130被進(jìn)一步壓實(shí)，這樣，這幾個(gè)纖維層的混合壓實(shí)導(dǎo)致由以預(yù)針刺的表面位置94向針刺后的表面位置96以及估算表面位置92改變。如圖7C和7D所示，當(dāng)基板12分別沿著箭頭142及144的方向驅(qū)動(dòng)時(shí)，在第三及第四次針刺中加入并針刺附加纖維層134及136，這些針刺過程使原先針刺過的纖維層進(jìn)一步壓實(shí)。在針刺期間，由于至少在頂層纖維層中的壓實(shí)，和由于至少在位于頂層纖維層下面的一組纖維層內(nèi)的壓實(shí)，所以，有刺針刺進(jìn)的外露表面再次離開刺針。
代表圖7A-7D針刺過程中表面位置與針刺次數(shù)的實(shí)施例如圖8所示。第一次針刺表示圖7A，此時(shí)，將兩個(gè)纖維層放置在刺針下面，如圖8所示，第一針刺產(chǎn)生由預(yù)針刺的表面位置到針刺后的表面位置的相對(duì)大的變化。從第二次針刺開始，在每次針刺之前，加入另一纖維層，第二次針刺代表圖7B，此時(shí)將三個(gè)纖維層放在刺針下面，如圖8所示，由預(yù)針刺的表面位置到針刺后的表面位置的變化比前面的針刺步驟的小。在與圖7C和7D相對(duì)應(yīng)的第三、四次針刺中加入附加纖維層，在第五到十次針刺過程中加入6個(gè)纖維層的數(shù)據(jù)也在圖8中示出了。每次針刺步驟的估算表面位置如圖所示，它基本是每次針刺的預(yù)針刺的表面位置與針刺后的表面位置之間的平均位置，圖中也示出了壓實(shí)因子，需要注意的是，圖8中壓實(shí)因子與圖6中壓實(shí)因子具有相當(dāng)不同的趨向。
實(shí)驗(yàn)表明，只要纖維結(jié)構(gòu)基本相似，而且采用基本相類似的方法制成，如圖6及8所示，估算表面位置與針刺步驟和壓實(shí)因子從一個(gè)到下一個(gè)纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)就不會(huì)變化很大，所以，可以從前面建立的關(guān)系得出估算表面位置和壓實(shí)因子，在這種情況下，通過用基本相似的方法先形成基本相似的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)以及確定在形成基本相似的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)過程中估算表面位置，可以確定該關(guān)系。圖6和8表示這種在先確定的關(guān)系，它完全可以用于制備其它基本類似的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)。
有多種原因可以導(dǎo)致壓實(shí)變化，圖5和6包括在第一針刺期間開頭兩個(gè)纖維層沒有產(chǎn)生很大壓實(shí)的情況在隨后的針刺期間這兩個(gè)纖維層出現(xiàn)壓實(shí)。圖7和8指的情形是，開始兩層中的一層纖維層比較厚并且在第一針刺期間就被壓實(shí)，而且在隨后的針刺期間又繼續(xù)壓實(shí)。本發(fā)明的針刺方法易于變通足可以兼顧這兩種情形，而且，本發(fā)明的應(yīng)用不僅限于這些實(shí)施例?？梢愿鶕?jù)纖維層的特性以及特定的針刺工藝與機(jī)械設(shè)備采用不同方法產(chǎn)生壓實(shí)，而且要根據(jù)本說明書公開內(nèi)容所提出的原則進(jìn)行考慮。還有，圖5-8表示由用沖孔基板所形成的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)得出的結(jié)果，該沖孔基板不會(huì)夾持轉(zhuǎn)移的纖維，如前所述。用泡沫塑料或直立的刷毛制成的基板可以較有效地夾持轉(zhuǎn)移的纖維。但是，某些壓實(shí)作用仍會(huì)發(fā)生，而且可以根據(jù)由本說明書公開內(nèi)容提出的原則進(jìn)行壓實(shí)。任何一種這類變化都屬于本發(fā)明的內(nèi)容。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，對(duì)每一組纖維層中每一纖維層的永久性纖維轉(zhuǎn)移可以進(jìn)行定量。不過，在實(shí)施本發(fā)明的時(shí)候，不必對(duì)每一纖維層轉(zhuǎn)移的纖維進(jìn)行確認(rèn)精確數(shù)量。所謂“精確數(shù)量”是指對(duì)于每一纖維層而言，從該纖維層永久轉(zhuǎn)移之纖維的確定量，或者從該纖維層轉(zhuǎn)移之纖維的數(shù)量或者類似定量。根據(jù)本發(fā)明，提供一種方法用于對(duì)每一層的纖維或在針刺過程的每個(gè)階段產(chǎn)生一種轉(zhuǎn)移效率與生成Z-纖維進(jìn)行比較，這是一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)?，?dāng)針鉤穿刺纖維時(shí)，要跟蹤并確認(rèn)在特定針鉤中載上或掉下的纖維就目前而言是極其困難的。例如，為了說明本發(fā)明，在此討論纖維層以及針刺過程，在刺針刺入外露表面后，某個(gè)刺針上的針鉤幾乎立即就完全載滿纖維。當(dāng)針鉤進(jìn)入下面幾個(gè)纖維層時(shí)，由于纖維斷裂，針鉤卸下一部分纖維，當(dāng)纖維卸下時(shí)，針鉤從其所穿刺的纖維層中接觸到更多的纖維。所以，圖3的Z-纖維束66中的大部分纖維來自纖維層40a，而一小部分則來自纖維層40b和40c。確認(rèn)Z-纖維束中來自某個(gè)纖維層的纖維的精確數(shù)量是需要的，但在實(shí)施本發(fā)明時(shí)只要能用一定方法定量由某個(gè)給定纖維層永久轉(zhuǎn)移的纖維，則沒有這個(gè)必要。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，按如下方法定量永久性纖維轉(zhuǎn)移。再參見圖3，當(dāng)每一個(gè)針鉤穿刺某一給定纖維層時(shí)，它就參與這組纖維層中的給定纖維層的一定量纖維接觸。對(duì)于某一給定刺針上的每一個(gè)針鉤，該纖維量一般是不同的，每根刺針14接觸并轉(zhuǎn)移一組纖維層中某一給定纖維層上的一定量纖維，這是每一個(gè)經(jīng)過這一纖維層的針鉤接觸該纖維層上纖維的總量。例如，在一個(gè)確定的優(yōu)選實(shí)施例中，如前所述，每一次針刺中的頂層纖維層都含有被針刺在一起成為一個(gè)連接在一起的纖維層的三個(gè)交叉折疊單向OPF纖維分層，刺針為編號(hào)是15×18×36×3.5C333G1002刺針，由德國(guó)的Groz-Beckert公司提供。在該實(shí)施例中，在某一給定針刺期間，第一針鉤68掛住該纖維層轉(zhuǎn)移纖維量的70％，第二針鉤70掛住該纖維層轉(zhuǎn)移纖維量的25％，第三針鉤72只掛住該纖維層轉(zhuǎn)移纖維量的5％。按照目前的理解，由刺針加工廠進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，彼此間隔刺針距離更大的其他針鉤不會(huì)象本方法過程中那樣有效地掛住和轉(zhuǎn)移纖維。還有，由于在每根針鉤進(jìn)入頂層纖維層時(shí)幾乎立刻就掛住纖維，所以在這一針刺過程中，被某一給定刺針轉(zhuǎn)移的大部分纖維來自頂層纖維層。如在前面關(guān)于圖3所述，當(dāng)針鉤穿刺纖維結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)卸下部分纖維，并從其他纖維層上帶上新纖維。不過，對(duì)所有針刺過程或所有類型的纖維層，不都屬于這種情況。纖維轉(zhuǎn)移特性與纖維層、特定針刺方法以及機(jī)械設(shè)備的性能有關(guān)，對(duì)于每一體系都應(yīng)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定。
從某一給定纖維層如頂層纖維層40a上永久性轉(zhuǎn)移之纖維的量用以下計(jì)算方法進(jìn)行近似計(jì)算，它為每一針鉤掛住且經(jīng)過該纖維層至少最小距離的纖維總量。例如，針鉤68從頂層纖維層40a穿過轉(zhuǎn)移距離52，大于該纖維層的最小距離50。因此，由針鉤68從纖維層40a上轉(zhuǎn)移的任何纖維就成為永久性轉(zhuǎn)移纖維。針鉤70從頂層纖維層40a穿過的一定距離，由下列公式計(jì)算D12＝D11-d1公式(1)其中，D12是第二針鉤70穿過纖維層40a的距離，D11是第一針鉤68穿過頂層纖維層40a的距離(D11＝轉(zhuǎn)移深度52)，而d1是第一針鉤68與第二針鉤70之間的距離71。如圖3所示，D12也大于纖維層40a的最小距離50，這就是說，第二針鉤70從纖維層40a上轉(zhuǎn)移的所有纖維都成為永久性轉(zhuǎn)移。針鉤72穿過頂層纖維層40a的距離按以下公式進(jìn)行計(jì)算D13＝D11-d1-d2公式(2)其中D13是第三針鉤72穿過纖維層40a的距離，D11是第一針鉤68穿過上纖維40a的距離(D11＝轉(zhuǎn)移深度52)，d1是第一針鉤與第二針鉤70之間的距離，d2是第二針鉤70與第三針鉤72之間的距離。D13大于纖維層40a的最小距離50，就是說，第三針鉤72從纖維層40a上轉(zhuǎn)移的所有纖維都成為永久性轉(zhuǎn)移。所以，由于D11、D12及D13都全部大于最小距離50，用刺針14從纖維層40a上掛住的以及轉(zhuǎn)移過的100％的纖維被永久性地轉(zhuǎn)移。該實(shí)施例就是根據(jù)前面所講的第一針鉤為70％、第二針鉤為25％以及第三針鉤為5％的部分纖維量估計(jì)而得出的。
類似的計(jì)算方法可用于纖維層40b，其中D21是轉(zhuǎn)移深度54，計(jì)算公式如下D22＝D21-d1公式(3)D23＝D21-d1-d2公式(4)
其中D21是針鉤68從纖維層40b中穿過的距離(D21＝轉(zhuǎn)移深度54)，D22是第二針鉤70從纖維層40b中穿過的距離，D23是第三針鉤72從纖維層40a中穿過的距離，d1是第一針鉤與第二針鉤70之間的距離71，而d2則是第二針鉤70與第三72針鉤之間的距離73。通過對(duì)該實(shí)施例進(jìn)行的這些計(jì)算顯示，所有三個(gè)針鉤穿過的距離都大于纖維層40b的最小距離，即是說，由刺針從纖維層40b中掛住的以及轉(zhuǎn)移的100％纖維被永久性地轉(zhuǎn)移。用下列算式對(duì)公式1-4進(jìn)行定義DNB=DN1-Σn=2Ndb-1;B≥2]]>公式(5)其中N表示由第一針鉤68穿刺過的給定纖維層(當(dāng)為頂層纖維層40a時(shí)，N＝1；當(dāng)為纖維層40b時(shí)，N＝2；當(dāng)為纖維層40c時(shí)，N＝3，……)，B代表位于轉(zhuǎn)移纖維之刺針上的特定針鉤(當(dāng)為刺針上第二針鉤時(shí)，B＝2；當(dāng)為刺針上第三針鉤72時(shí)B＝3，以此類推……)，DNB是特定針鉤相對(duì)于纖維層N穿過的距離，db-1是沿刺針從一個(gè)針鉤(b-1)到下一個(gè)針鉤(b)的距離。這樣，用這些公式就可以對(duì)第一針鉤穿過多少纖維層進(jìn)行計(jì)算，也可以對(duì)位于掛住并轉(zhuǎn)移纖維之刺針上的每一個(gè)針鉤進(jìn)行計(jì)算。不過，沒有必要對(duì)其它組纖維層進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)椋w維不會(huì)從其他組纖維層中被永久性轉(zhuǎn)移。公式5只適用于B≥2的情形，因?yàn)楫?dāng)刺針上只有一個(gè)針鉤時(shí)，就沒有必要確定其它針鉤的轉(zhuǎn)移的深度。
對(duì)纖維層40c(n＝3)進(jìn)行計(jì)算且轉(zhuǎn)移深度56為D31時(shí)，可發(fā)現(xiàn)D31和D32都大于最小距離50，但D33則小于該最小距離，所以，由第三針鉤72從纖維層40中掛住的纖維不會(huì)被永久性地轉(zhuǎn)移，而由第一針鉤68和第二針鉤70從纖維層40c中掛住的纖維就被永久性地轉(zhuǎn)移。用刺針從纖維層40c中掛住到的纖維只有95％被永久性地轉(zhuǎn)移(第一針鉤的70％+第二針鉤的25％)，由第三針鉤72從纖維層40c中掛住的纖維有5％且沒有被永久性地轉(zhuǎn)移。如上所述，對(duì)于永久性纖維轉(zhuǎn)移的這些估計(jì)取決于特定的刺針，纖維層性質(zhì)以及針刺工藝。該實(shí)施例的方法使用了百分比70％，25％以用5％，而本發(fā)明不僅受限于這三個(gè)百分比含量。
重要的是應(yīng)理解，這樣定量每個(gè)纖維層永久性纖維轉(zhuǎn)移，而不用明確每個(gè)纖維層中永久性纖維轉(zhuǎn)移的精確量。本說明書中永久性纖維轉(zhuǎn)移的量是指刺針從給定纖維層中在刺針行程底部而掛住的已經(jīng)變成永久性轉(zhuǎn)移的纖維百分比(或任何相同的數(shù)值如分?jǐn)?shù))。很容易預(yù)見，用其它方法也可以使永久性纖維轉(zhuǎn)移的量變成可定量的。例如，如果用于對(duì)每個(gè)纖維層精確定量的有效方法是可行的，采用每層的精確數(shù)量就是理想的。
還是參見圖3，從相對(duì)于頂層纖維層40a的轉(zhuǎn)移深度52可以得出40a至40f每個(gè)纖維層的轉(zhuǎn)移深度54、56、58、60、62及64。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，如上所述，相對(duì)于頂層纖維層40a的估算表面位置可以確定轉(zhuǎn)移深度52，最好的辦法是估算表面位置為預(yù)針刺的表面位置與針刺后的表面位置的平均值。接著確定位于刺針下面每一個(gè)纖維層的針刺后的厚度。用轉(zhuǎn)移深度52減去放置在給定纖維層上面的每個(gè)纖維層的厚度從而由轉(zhuǎn)移深度52確定該給定纖維層的轉(zhuǎn)移深度，例如，從轉(zhuǎn)移深度52中減去纖維層40a的厚度，可以確定出纖維層40b的轉(zhuǎn)移深度54；從轉(zhuǎn)移深度52中減去纖維層40a及40b的針刺后的厚度，可以確定出相對(duì)于纖維層40c的轉(zhuǎn)移深度56。這樣，根據(jù)下列公式，用離開頂層纖維層40a的轉(zhuǎn)移深度52就可以計(jì)算出相對(duì)于任何給定纖維層的轉(zhuǎn)移深度DN1=D11-Σn=2Ntn-1;N≥2]]>公式(6)其中N表示位于頂層纖維層40a(N＝1)下面由第一針鉤68穿過的給定纖維層(N＝2，表示第二纖維層40b；N＝3，代表第三纖維層40c；N＝4，為第四纖維層40d…………)，DN1是纖維層N的轉(zhuǎn)移深度，D11是頂層纖維層40a的轉(zhuǎn)移深度(轉(zhuǎn)移深度52)，而tn-1是位于纖維層N上面每一纖維層的厚度。對(duì)于由第一針鉤68穿刺的許多層可以進(jìn)行重復(fù)計(jì)算(圖3中示出7層)，不過沒有必須進(jìn)行對(duì)該組纖維層(圖3中為纖維層40a-40c)以外的纖維層的計(jì)算，因?yàn)椋w維不會(huì)從該組纖維層以外的纖維層中被永久性地轉(zhuǎn)移，該公式是根據(jù)第一針鉤68相對(duì)于頂層纖維層40a轉(zhuǎn)移的距離計(jì)算的，附加針鉤相對(duì)于每個(gè)纖維層的移動(dòng)距離可以根據(jù)公式1-5算出來。
另外，第一針鉤從每個(gè)纖維層中的轉(zhuǎn)移深度可以按下式進(jìn)行計(jì)算DN1=D11-F-Σn=2Ntn-1;N≥2]]>公式(6a)其中變量與公式6中的相同，F(xiàn)是針刺的壓實(shí)因子，該公式計(jì)算分纖維層相對(duì)于纖維預(yù)形成結(jié)構(gòu)外露表面之針刺后的位置的轉(zhuǎn)移深度。公式6提供轉(zhuǎn)移深度的可接受估計(jì)量，而公式6a則更精確，尤其是用于計(jì)算具有較大壓實(shí)因子的頂層纖維層。如前面所提到的，800g/m2空氣法纖維網(wǎng)是具有較大壓實(shí)因子之纖維層的一個(gè)例子。
如果纖維層基本相似，對(duì)于每次針刺后的厚度可以按照含有該針刺所在的纖維結(jié)構(gòu)的一組纖維層的平均厚度進(jìn)行計(jì)算。如圖5A-5D所示，當(dāng)使纖維層經(jīng)過附加針刺以及當(dāng)加入附加纖維層時(shí)，該組纖維層的厚度可以改變。纖維層的數(shù)目與平均纖維層厚度之間關(guān)系的示例如圖9所示(開始為兩層)。圖9是一條壓實(shí)曲線。在每次針刺之前，向纖維結(jié)構(gòu)上加入一個(gè)纖維層，如圖所示，隨著纖維層數(shù)(及針刺數(shù))的增加，平均厚度下降，這種趨勢(shì)是由下列事實(shí)造成的由于幾次后續(xù)針刺，含有纖維結(jié)構(gòu)的先被針刺的纖維層繼續(xù)壓實(shí)。當(dāng)加入附加纖維層時(shí)，這些纖維層進(jìn)一步壓實(shí)。
從一個(gè)如圖9所示的曲線，通過按照基本相似的方法形成一種基本類似的纖維結(jié)構(gòu)，以及通過確定在形成基本相似的纖維結(jié)構(gòu)期間的平均厚度，可以得出在針刺過程中每一點(diǎn)上含有纖維結(jié)構(gòu)的平均厚度。然后，可以將該計(jì)算結(jié)果用于形成后續(xù)纖維結(jié)構(gòu)，而不用實(shí)際地確定針刺過程中的平均纖維層厚度，這種方法大大地簡(jiǎn)化了工藝，可以將如圖9所示的一條曲線編制程序，存入如圖1所示控制器28的控制器內(nèi)。
在實(shí)施本發(fā)明的過程中，可以使用單個(gè)纖維層的厚度，而不是平均纖維層厚度。通過測(cè)量每次針刺后纖維結(jié)構(gòu)的切下部分，可以確定多次針刺后(如圖7A-7D所示)的纖維層128的厚度，該厚度如圖10所示，曲線I開始為預(yù)針刺的厚度(在第一次針刺之前)。曲線II表示象纖維層128這樣的當(dāng)其在針刺過程中處于較后位置上被針刺到一種基本上為一纖維結(jié)構(gòu)上時(shí)的空氣法纖維網(wǎng)的厚度，要說明的一點(diǎn)是，空氣法纖維網(wǎng)壓實(shí)有大的不同，這取決于在針刺工藝中使用纖維層的位置。
如該圖10所示，象纖維層128這樣的厚層結(jié)構(gòu)的壓實(shí)可以連續(xù)地經(jīng)由多次針刺。若不考慮這種用于壓實(shí)，就會(huì)在整個(gè)的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)上與理想的Z-纖維分布有明顯的不同。如果在該纖維結(jié)構(gòu)中任意一層與其它層有明顯的區(qū)別，則需要對(duì)單個(gè)的纖維層進(jìn)行表征。再者，在構(gòu)成預(yù)先形成的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)期間可以確定圖10那樣的一條曲線，并且在隨后形成實(shí)際上類似的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)期間可以采用這條曲線。只要加工工藝基本上類似的話，在形成一個(gè)纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)和形成另一個(gè)纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)時(shí)，該曲線不應(yīng)該作明顯的改動(dòng)。
一次以上的針刺可以將纖維從一給定層永久地置入到一組纖維層中。因此，這樣一種技術(shù)是所希望的，即，可以確定從一給定層永久地轉(zhuǎn)移的纖維的累計(jì)量。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，在一給定的針刺期間，當(dāng)每個(gè)針鉤穿過一層纖維的時(shí)候，每一針鉤會(huì)攜帶一定量的纖維從一給定的纖維層進(jìn)入針鉤穿過的那層纖維所在的一組纖維層中。與如前面所述的那樣，在針刺期間，從一給定纖維層永久地轉(zhuǎn)移的纖維量，可以這樣估算，即，累計(jì)每一個(gè)針鉤從該層夾持纖維的數(shù)量，其中針鉤離其夾持纖維的那一層的行程應(yīng)至少為所述的最小距離。從給定纖維層永久轉(zhuǎn)移的纖維的累計(jì)量是根據(jù)永久地從該層轉(zhuǎn)移纖維的針刺步驟的累計(jì)量來估算的。從給定纖維層永久轉(zhuǎn)移的纖維的累計(jì)量通常采用如圖11所示的圖表來估算的。
在圖11中，在表的左側(cè)，沿垂直軸記下針刺次的數(shù)。在表的頂端，沿水平軸記下具有纖維結(jié)構(gòu)每一針刺的纖維層的數(shù)目。從第一次針刺的第1和第2層起，共計(jì)有32層被針刺在一起。層1和32為800g/m2的空氣法纖維網(wǎng)，而層2-31各具有3個(gè)OPF纖維的交叉重疊的單向的纖維分層，這些纖維層經(jīng)針刺在一起而形成一連接在一起的纖維層，如前面所述。從針刺2到31，在每一次針刺之前，加一層纖維層，接下來是3個(gè)退縮的針刺WO1，WO2和WO3(其中纖維結(jié)構(gòu)被降低和進(jìn)行不加纖維層的針刺)，在表的右面的第1欄中，第一次針刺時(shí)相對(duì)于初始基板位置的基板位置以“δ”來表示。在標(biāo)有“δi-δi-1”的欄目中，示出了相對(duì)于先前的針刺過程每一次針刺后基板位置的變化。如圖2所示，許多刺針14在行程160的一固定范圍內(nèi)被往復(fù)地驅(qū)動(dòng)，而纖維結(jié)構(gòu)被設(shè)置在基板12上并被按箭頭34的方向移動(dòng)?；?2的垂直位置是這樣控制的，使基板向這些刺針移動(dòng)時(shí)纖維的轉(zhuǎn)移深度得到增加而使基板向遠(yuǎn)離這些刺針移動(dòng)時(shí)纖維的轉(zhuǎn)移深度得到減小。
在每一次刺針后，纖維結(jié)構(gòu)的總厚度示于標(biāo)有“T”的欄目中。纖維層1(空氣法纖維網(wǎng))的厚度被確定下來，以用于每次針刺的穿刺，該厚度示于標(biāo)有“tair”的欄目中，該厚度是通過測(cè)量纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)的被割開的部分而被確定的。它也可以如前面參照?qǐng)D10所述的按照預(yù)先建立的關(guān)系來確定。在穿刺后，用于每一次刺針的纖維層的一個(gè)平均厚度是這樣確定的，即，將T減去纖維層1(空氣法纖維網(wǎng))的厚度再除以包括纖維結(jié)構(gòu)的纖維層的層數(shù)即可。平均纖維層厚度tave，如標(biāo)有“tave”的欄目所示。第一個(gè)針鉤相對(duì)于用于每一個(gè)刺針穿刺的頂層的轉(zhuǎn)移深度如標(biāo)有“實(shí)際的D11”(“Actual D11”)的欄目所示，并且按照下列等式計(jì)算D11＝P0-c+T+F-δ公式(7)其中D11是第一針鉤相對(duì)于頂層的轉(zhuǎn)移深度，δ是相對(duì)于初始基板位置的基板位置(正的δ表示一種遠(yuǎn)離刺針的運(yùn)動(dòng))，P0是當(dāng)δ＝0時(shí)的初始的刺針穿入深度，T是每一次針刺后總的纖維結(jié)構(gòu)厚度，c是第一針鉤和刺針針尖部之間的距離，而F是壓實(shí)因子。圖11中所有線性的尺寸都以毫米mm計(jì)。參照?qǐng)D12，P0定義為在第一次刺針穿刺時(shí)當(dāng)δ＝0時(shí)基板的頂部和刺針針尖之間的距離。如圖12所示，當(dāng)針尖位于基板的下面時(shí)P0是正的，而當(dāng)針尖位于基板的上面時(shí)其值為負(fù)的。針尖與第一針鉤之間的距離c以及總的針刺后的纖維結(jié)構(gòu)的厚度T也作了圖示。
用于每一次針刺的壓實(shí)因子F也按照?qǐng)D8確定，這樣，一次給定的針刺的針刺后的表面位置可以由基板位置δ和針刺后的厚度T來確定而在針刺期間的估算表面位置是通過將壓實(shí)因子F加到針刺后的表面位置來確定的。
為進(jìn)行這種針刺工藝，如按照?qǐng)D4所描述的工藝確定的那樣，取得永久纖維轉(zhuǎn)移的最小距離大約為7mm。因此，為了永久性地轉(zhuǎn)移由所有三個(gè)針鉤掛上并從給定纖維層處轉(zhuǎn)移的纖維，所有三個(gè)針鉤不得不自一給定層的上部邊界處移動(dòng)至少7mm。在該工藝中采用了這種刺針，其第1個(gè)針鉤與第2針鉤相隔1.06mm，而第3針鉤與第2針鉤相距1.06mm，因此，為了借助刺針使離開給定纖維層的由所有3個(gè)針鉤掛住的纖維獲得100％的永久性轉(zhuǎn)移，第1針鉤就應(yīng)超過給定層的上部邊界移動(dòng)至少9.12mm(7mm+1.06mm+1.06mm)。圖11中，如前所述，可以設(shè)想為，第1針鉤轉(zhuǎn)移70％的纖維，第2針鉤轉(zhuǎn)移25％的纖維，第3針鉤轉(zhuǎn)移5％的纖維。在該處，公式式1-6可以用來計(jì)算給定的刺針過程從每個(gè)纖維層永久性地轉(zhuǎn)移的纖維量。然而，下列表格可以用來減少計(jì)算的次數(shù)，即只關(guān)注第1針鉤相對(duì)于每一纖維層的轉(zhuǎn)移深度即可表1從一給定纖維層n的永久性轉(zhuǎn)移％ 第1針鉤的纖維轉(zhuǎn)移深度100 Dn1≥9.1295 9.12＞Dn1≥8.0670 8.06＞Dn1≥7.0025 7.00＞Dn1≥6.500Dn1＜6.50其中，用于每一纖維層的Dn1被按照公式6計(jì)算出。表1略去了對(duì)于每一單個(gè)的針鉤的轉(zhuǎn)移深度的計(jì)算。公式6中，在各針刺步驟中，在纖維層n是一種交叉鋪層的纖維層的情況下，一給定針刺過程的平均纖維層厚度tave被用于該針刺過程的tn值的計(jì)算，而在纖維層n是一種空氣法網(wǎng)纖維層的情況下，tair被用于tn值的計(jì)算。
還參見表1和第1范圍的轉(zhuǎn)移深度(Dn≥9.12)，所有3個(gè)針鉤都穿入足夠的深，以便100％的纖維被永久性地轉(zhuǎn)移(70％+25％+5％)。在第2個(gè)范圍中(9.12＞Dn≥8.06)，由于只有第1和第2針鉤穿入實(shí)現(xiàn)纖維轉(zhuǎn)移的足夠深度，因此，只有95％的纖維被永久性地轉(zhuǎn)移。在第3個(gè)范圍中(8.06＞Dn≥7.00)，由于只有第1個(gè)針鉤穿入到實(shí)現(xiàn)纖維轉(zhuǎn)移的足夠深度，因此，只有70％的纖維被永久性地轉(zhuǎn)移。這些范圍從前述的針刺條件和圖11的纖維預(yù)成型結(jié)構(gòu)的纖維層狀材料的情況易于推導(dǎo)出來。第4個(gè)范圍，即25％的永久性纖維轉(zhuǎn)移，反映了按照?qǐng)D4工藝，頂層被部分地，而不是全部地接合到相鄰層的一個(gè)中間范圍。如參照?qǐng)D4所述的那樣，頂層以大約6.5mm的一個(gè)轉(zhuǎn)移深度開始連接，并以7.0mm的轉(zhuǎn)移深度完全連接，因此，以一個(gè)增加0.5mm的轉(zhuǎn)移深度，該工藝明顯出現(xiàn)了從無連接制到完全連接的過渡。反映這種過渡范圍的永久性纖維轉(zhuǎn)移量的較低增量包括25％的范圍。如表1這樣的一種表可以用于構(gòu)成任意一種的針刺工藝和任意類型的纖維層。然而，由于這些原則可以應(yīng)用于幾乎任何一種纖維層狀材料和針刺工藝，因此，本發(fā)明不限于表1的范圍。
下面的實(shí)施例示出了按照?qǐng)D11確定永久性纖維轉(zhuǎn)移的累計(jì)量的方法。圖11中，P0為10.60mm而C為6.36mm。如根據(jù)公式7(10.6mm-6.36mm+12.07mm+1.0mm-3.8mm)計(jì)算的那樣，第5次針刺具有離頂層為13.51mm的一個(gè)轉(zhuǎn)移深度，該深度大于9.12mm，9.12mm的深度表示，從頂層(即第5次針刺的纖維層6)轉(zhuǎn)移的100％的纖維為永久性纖維轉(zhuǎn)移。因此，＂100＂出現(xiàn)在第5次針刺的纖維層6的一列中。從纖維層4的轉(zhuǎn)移深度D21為11.8mm(13.51mm-1.70mm)，該深度大于9.12mm，這表明在第5次針刺期間，從纖維層5轉(zhuǎn)移的100％的纖維為永久性纖維轉(zhuǎn)移。因此，＂100＂出現(xiàn)在第5次針刺的纖維層數(shù)為5的縱列中。纖維層數(shù)為4的纖維轉(zhuǎn)移深度D31為10.11mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm)，它比9.12mm大，這表示在第5次針刺期間，100％的纖維從層數(shù)為4的纖維層中作永久性的纖維轉(zhuǎn)移。因此，＂100＂出現(xiàn)在第5次針刺的纖維層數(shù)為4的縱列上。纖維層3的纖維轉(zhuǎn)移深度D41為8.41mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm)，該值較9.12mm小，而大于8.06mm，這表明在第5次針刺期間，從纖維層數(shù)為3的纖維層中作永久性轉(zhuǎn)移的纖維有95％。因此，＂95＂出現(xiàn)在第5次針刺的纖維層數(shù)為3的縱列上。纖維層數(shù)為2的纖維層的轉(zhuǎn)移深度為6.71mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm)，該值小于7.0mm而大于6.5mm，這表明從纖維層數(shù)為2的纖維層作為永久性轉(zhuǎn)移的纖維占25％。因此，在第5次針刺的情況下，有5層纖維層為一組(2-6)。對(duì)于所有次的針刺來說，都重復(fù)這些計(jì)算，每一次針刺的轉(zhuǎn)移量被列入所述的表中。在做了這些工作之后，每一層纖維的纖維轉(zhuǎn)移的累計(jì)量通過累計(jì)出現(xiàn)在每一層的縱列欄上的所有永久性纖維轉(zhuǎn)移量來計(jì)算。例如，纖維層數(shù)為4的纖維層所獲得的永久性纖維轉(zhuǎn)移量值在第三次針刺期間為100，在第四次針刺期間為100，在第五次針刺期間為100，在第六次針刺期間為95，在第七次針刺期間為25，而在該行列的底部總計(jì)為420。每層纖維層的永久性纖維轉(zhuǎn)移的累計(jì)值稱為永久性纖維轉(zhuǎn)移的累計(jì)量(CQT)。當(dāng)纖維以至少2次針刺從一層纖維層被永久性轉(zhuǎn)移時(shí)，CQT量出了每一層纖維層作為永久性纖維轉(zhuǎn)移的總量。
纖維層1的厚度可從圖10的曲線I獲得，纖維層32的厚度可由圖11的曲線II獲得，因?yàn)檫@兩層都是空氣法纖維網(wǎng)。注意這些層的壓實(shí)不同，因?yàn)樗鼈兪窃谠摴に囍胁煌c(diǎn)被加上的。這樣，本發(fā)明是易于變通的，并且可以補(bǔ)償出現(xiàn)在整個(gè)該工藝中的不同的壓縮(實(shí))特性。
所有纖維層的CQT以一行的形式標(biāo)明在沿圖11的標(biāo)有“實(shí)際的CQT”(＂ActualCQT＂)的行列的底部的地方。注意，總體上，CQT是從纖維層3處的高值465減少到纖維層32處的低值200。在形成制動(dòng)盤的時(shí)候，在得到相互間隔的兩相對(duì)耐磨表面的致密工藝期間或之后，好幾個(gè)纖維層都被去掉了。兩耐磨面(WS)的CQT在圖11中作了標(biāo)示。一個(gè)表面的CQT大約為另一個(gè)耐磨表面的CQT的兩倍(420/220)。這種非均勻性已由圖11表征的纖維結(jié)構(gòu)的內(nèi)連層剝離試驗(yàn)所證實(shí)。將纖維層剝離所需的力隨著CQT的減少而減少，這是遵循這樣的一事實(shí)，即CQT是對(duì)Z纖維的永久性轉(zhuǎn)移的數(shù)量化。較高的CQT表明有較多數(shù)量的Z-纖維，而Z-纖維可以代表纖維層的連接性。因此，較多的Z-纖維相當(dāng)于較大的內(nèi)連層剝離力。
該工藝方法還進(jìn)一步包括這樣一個(gè)步驟，在該步驟中，操縱控制該針刺工藝，以產(chǎn)生一各纖維層的已選擇的CQT。選擇用于包括纖維預(yù)成型結(jié)構(gòu)的每一纖維層的CQT值是按照最終纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)的理想特性作預(yù)成形設(shè)計(jì)的一個(gè)主題，這不屬本發(fā)明的部分。下列的公式8可以用來獲得每層纖維的永久性纖維轉(zhuǎn)移的理想量值δi＝P0-C+Ti-1+Wi-D11i公式(8)其中δi為用于當(dāng)前針刺過程I的δ，Ti-1為根據(jù)預(yù)針刺過程I-1的纖維結(jié)構(gòu)的總厚度，Wi為一預(yù)測(cè)因子，D11i為當(dāng)前針刺的理想的轉(zhuǎn)移深度D1。預(yù)測(cè)因子Wi為跟隨當(dāng)前針刺的頂層設(shè)計(jì)厚度和針刺的設(shè)計(jì)壓實(shí)因子的累計(jì)計(jì)量。
利用公式8來在一纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)中獲得用于每一層纖維的一理想的CQT值有兩種可能的途徑。在某些情況下，每一次針刺的轉(zhuǎn)移深度D11i是已知的，該轉(zhuǎn)移深度將產(chǎn)生一用于每層纖維層的理想的CQT值。在構(gòu)成一類似的預(yù)成形結(jié)構(gòu)期間，與已知的轉(zhuǎn)移深度在D11i相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)移深度D11i可以產(chǎn)生用于每一纖維層的類似的CQT值?？梢赃@樣來形成將產(chǎn)生一用于每一層的理想的CQT值的已知轉(zhuǎn)移深度，例如，應(yīng)用公式7以及至此討論的與本發(fā)明有關(guān)的原理，來表征由特別工藝形成的一纖維預(yù)成型結(jié)構(gòu)，并確定用于每一針刺的轉(zhuǎn)移深度和由此得到的用于每一層的CQT值。前面已經(jīng)借助圖11和用公式7很詳細(xì)地描述用來表征一預(yù)成型結(jié)構(gòu)中用于每一次針刺的D11和每一層的CQT值。圖11中，在“理想的D11值”值的欄目中以及在“理想的CQT值”的一行中已標(biāo)示出了可從一預(yù)先構(gòu)成的纖維預(yù)成型結(jié)構(gòu)獲得的數(shù)據(jù)的示例。
一種其“實(shí)際的D11”轉(zhuǎn)移深度和“實(shí)際的CQT”值基本上與“理想的轉(zhuǎn)移深度D11”和“理想的CQT”值類似的預(yù)成型結(jié)構(gòu)可按如下構(gòu)成。用公式8來計(jì)算每一次針刺的δi。首先，確定預(yù)測(cè)因子Wi。根據(jù)一優(yōu)選的實(shí)施例，用于一給定針刺過程(I)的Wi由預(yù)針刺過程(I-1)獲得的數(shù)據(jù)而導(dǎo)出。最好，在當(dāng)前層(I)基本上與先前層(I-1)相同的情況下，Wi可以通過累加tavei-1和Fi-1而獲得。另外，尤其是當(dāng)各層基本上不相似的情況下，可以采用圖8和圖10中示出的曲線導(dǎo)出用于一給定針刺過程的F和層厚。再參見圖11并作為一個(gè)實(shí)施例應(yīng)用第五次針刺，按照第四次針刺的數(shù)據(jù)，通過累加F4(1.0mm)和Tave4(1.91mm)，可以確定W5的值為2.91mm，以用于第五次針刺。因此，根據(jù)公式8，采用在第五次針刺用于D115的理想的轉(zhuǎn)移深度14.53mm，則δ5為3.8mm(10.6mm-6.36mm+11.18mm+2.91mm-14.53mm)。然后基板被調(diào)節(jié)到3.8mm的δ5并且纖維結(jié)構(gòu)受到第五次針刺的作用。
因此，公式8可以用來計(jì)算每一針刺的δi。基板被調(diào)節(jié)到δi且纖維結(jié)構(gòu)受到針刺作用。如前所述，在完成一給定的針刺過程后，包括用于該針刺的纖維結(jié)構(gòu)的纖維層厚度被確定，而公式7被用來建立用于該針刺過程的實(shí)際的轉(zhuǎn)移深度，即可核實(shí)該工藝是否在正常進(jìn)行中。算出的用于每次針刺過程的實(shí)際的轉(zhuǎn)移深度標(biāo)示在標(biāo)有“實(shí)際D11”的欄目中，這已經(jīng)作過詳細(xì)的描述。
圖11的底部示出了實(shí)際CQT與用于該工藝的理想的CQT的比較情況。在每次針刺時(shí)，實(shí)際的CQT值優(yōu)選在理想的CQT值的±10％的范圍內(nèi)。按照這種工藝來進(jìn)行預(yù)成形結(jié)構(gòu)的成形，使該工藝可以積極有效地對(duì)該工藝自身進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)在該工藝期間發(fā)生的任何變異，并且獲得非常接近于理想的Z-纖維分布的實(shí)際的Z-纖維分布。
各種變異可以出自于該工藝期間的壓實(shí)和纖維層層厚的細(xì)微的各種變化以及其他一些因素。
根據(jù)代表了本發(fā)明另一方面的另一方案，在每次針刺時(shí)，各層的永久性纖維轉(zhuǎn)移的量值可以被控制，以獲得各纖維層的一理想的CQT值。參見圖13，其中標(biāo)示了一種表格，該表被用來形成一種纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在連接的數(shù)個(gè)相鄰的纖維層上都具有基本上恒定的CQT值。在該例子中，270的CQT值是各纖維層的理想值，它在沿該表的底部的一排中。其中還對(duì)各層的實(shí)際CQT值作了描述，其值緊接在理想CQT值之后。如前所述，13層纖維層被針刺在一起，每一層都具有三個(gè)交錯(cuò)疊置的單向的被針刺在一起而形成一連接在一起的纖維層的OPF纖維分層。對(duì)于每次針刺，從每一層作永久性纖維轉(zhuǎn)移的數(shù)量可被如下控制。
以將纖維層1和2針刺在一起，即通過使該纖維層受到第一次針刺來開始這種工藝。通過對(duì)纖維預(yù)成型結(jié)構(gòu)作適當(dāng)?shù)臏y(cè)量，用公式7來計(jì)算出第一次針刺的實(shí)際D11為11.12mm，它被表示在圖13的最靠右的一欄中。該工藝中，P0為11.0mm而C為6.36mm。最初的用于第一次針刺的基板的設(shè)定是依靠判斷，它應(yīng)該足以用來連接各纖維層。初始基板位置δ1優(yōu)選地產(chǎn)生一個(gè)初始的轉(zhuǎn)移深度D111，該深度應(yīng)合理地深以便足以在第一次針刺期間獲得從纖維層1和2的100％的纖維轉(zhuǎn)移而不對(duì)纖維層進(jìn)過度針刺。如前面那樣，標(biāo)有“T”的那一欄是預(yù)成形結(jié)構(gòu)的針刺后的厚度，標(biāo)有“tave”的那樣是平均纖維層厚度，該厚度是通過將T除以每次針刺的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)的層數(shù)而計(jì)算的。壓實(shí)因子F由圖6得到并且也標(biāo)示在圖13中。
從針刺2開始，一理想的轉(zhuǎn)移深度D112被確定下來，該深度足以在一組纖維層中從每一層獲得永久性纖維轉(zhuǎn)移的理想數(shù)量。按照需要，在各針刺步驟，該組纖維層以及各纖維層的數(shù)量都被確定下來，以產(chǎn)生每一層的理想的CQT值。例如，在第二次針刺，由于纖維層3還沒有被針刺并且270的CQT值是所希望的理想值，因此，從纖維層3作永久性轉(zhuǎn)移的纖維是100％，而由于在第一次針刺之后纖維層2僅具有100的CQT值且270的CQT值是理想的，因此，從纖維層2作永久性轉(zhuǎn)移的纖維應(yīng)為100％，并且，由于在第一次針刺之后纖維層1且有僅70的CQT值而270的CQT值是理想的，因此，從纖維層1作永久性轉(zhuǎn)移的纖維應(yīng)為100％。這些理想的量值可以排列在例如標(biāo)示在圖14A中那樣的一個(gè)行列中。根據(jù)圖13的纖維層數(shù)顯示在圖14A的第1欄中。該第2欄N表示如公式1至6中采用的那組纖維層中的一給定的的纖維層。注意，第1欄的纖維層數(shù)并不對(duì)應(yīng)于N，因?yàn)樵摻M纖維層中，頂層的N總是1。在下一欄中標(biāo)出了從每一纖維層轉(zhuǎn)移的理想的量值。最后，在最后一欄中示出了這組纖維層中除最低一層的所有纖維層的估算的纖維層厚度。根據(jù)優(yōu)選的實(shí)施例，根據(jù)先前針刺步驟的平均纖維層厚度被用作該估算的纖維層厚度。因此，3.24mm(根據(jù)第一次針刺的tave)顯示在纖維層2(N＝2)和3(N＝1)的深度的欄目中。相對(duì)于這一組纖維層中最低層的一理想的轉(zhuǎn)移深度被確定下來并被置于圖14A中最低層纖維層的深度的欄目中。在該實(shí)施例中由于N＝3，該最低纖維層的轉(zhuǎn)移深度為D312。按照一優(yōu)選的實(shí)施例，如表1這樣的表格被用來確定理想的轉(zhuǎn)移深度。應(yīng)用該表格，D312必須至少為9.12mm，以便獲得從纖維層數(shù)1(N＝3)的100％的永久性纖維轉(zhuǎn)移。通過對(duì)在圖14A中的“深度”欄目中的數(shù)目進(jìn)行累加，可以確定相對(duì)于頂層纖維層(N＝1)的轉(zhuǎn)移深度D112為一理想的值15.60mm。用于每一次針刺的理想的轉(zhuǎn)移深度D11顯示在圖13的“理想的D11”欄目中。用于每次針刺的理想的轉(zhuǎn)移深度D31顯示在圖13的“理想的D31”欄目中。
然后，該估算的轉(zhuǎn)移深度D112被用于公式8中，以便確定用于第二次針刺的基板的設(shè)定。根據(jù)一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施，公式8中的Wi可以如前所述參見圖11和公式8，將tavei-1和Fi-11累加而確定。對(duì)于第二次針刺，W2為3.24mm，而δ2為-1.2mm(11.0mm-6.36mm-6.48mm+3.24mm-15.60mm)，基板的位置δ2為負(fù)數(shù)表示在第一次針刺時(shí)，相對(duì)于初始基板位置朝向刺針移動(dòng)。該基板被調(diào)節(jié)到δ2，纖維結(jié)構(gòu)受到第二次針刺的作用。
在針刺作用后，進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)量并用公式7計(jì)算出用于第二針刺的實(shí)際轉(zhuǎn)移深度D112為14.61mm。用于每次針刺的實(shí)際的轉(zhuǎn)移深度顯示在圖13的“實(shí)際的D11”的欄目中。然后按照前面描述的手段計(jì)算出作永久性轉(zhuǎn)移的實(shí)際量值并將其插入圖13中。對(duì)于第二次針刺來說，理想的轉(zhuǎn)移深度足以獲得所有3層的理想的100％的永久性纖維轉(zhuǎn)移的量值。按照公式6算出的每次針刺的實(shí)際轉(zhuǎn)移深度D31i顯示在圖13的“實(shí)際的D31”的欄目中。9.37mm的D312值證實(shí)了對(duì)于第二次針刺來說，從纖維層1轉(zhuǎn)移的100％的纖維為永久性轉(zhuǎn)移，因?yàn)樵撝荡笥?.12mm(參見表1)。
對(duì)于每次針刺重復(fù)這一過程，其實(shí)例顯示于圖14B和圖14C中，其中，第三和第四次針刺的理想的轉(zhuǎn)移深度D11被確定下來。這一組纖維層中有3層纖維層，該組纖維層的最低一層(N＝3)纖維的理想轉(zhuǎn)移量為用于其余次針刺的70％，因?yàn)榫鶆蛞恢碌?70的CQT值是所要求的。如表1所需求的那樣，70％的最低層纖維層(N＝3)的理想量值可以通過確保每次針刺的D31處于7.00mm和8.06mm之間而取得。在每次針刺通過選擇大約為7.5mm的理想的D31而獲得這一結(jié)果。然而，根據(jù)圖13中明顯的轉(zhuǎn)移深度的走向，該數(shù)目可以向下限或上限漂移。例如，如果用于給定的一次針刺的實(shí)際的D31達(dá)到8.6mm，則用于下一次針刺的理想的D31可被移到7.00mm(理想的D31＜7.5mm)。類似地，如果用于一給定針刺的D31達(dá)到7.00mm，則用于下一個(gè)針刺過程的理想的值可以被朝向8.06mm移動(dòng)(理想的D31＞7.5mm)。以這種方式，轉(zhuǎn)移深度可以被調(diào)節(jié)而保留在必要的極限內(nèi)，以便在每一次針刺時(shí)，獲得理想的永久性纖維轉(zhuǎn)移的量值。因此，每次針刺的永久性纖維轉(zhuǎn)移量值可以被控制，以獲得用于每一層的一個(gè)理想的CQT。
還參見圖13，注意用于纖維層1的170的實(shí)際CQT值明顯的低于270的理想CQT值。獲取用于第1層的理想的CQT值可能是困難的，但是不重要的，因?yàn)樵诶w維預(yù)成形結(jié)構(gòu)的隨后的加工期間第1層通常被去除。用于層2至11的實(shí)際的CQT值緊跟隨理想的CQT值。纖維層12和13的實(shí)際CQT值為低值，但在附加隨后的纖維層期間或在不添加纖維層的情況下使纖維結(jié)構(gòu)受到退縮的針刺時(shí)，該實(shí)際值CQT可以被增加到理想的CQT值。
不脫離本發(fā)明的各種變型是有可能存在的。例如，圖13中各層的理想的CQT值為相同的。然而，理想的CQT的分布可以從一層到下一層而變化。應(yīng)用這里公開的內(nèi)容所提供的原理可以獲得一種具有任何這樣一種分布的纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)。進(jìn)一步地，用于確定Wi的設(shè)計(jì)纖維層厚度和每次針刺的纖維轉(zhuǎn)移深度D11i都基于根據(jù)前次針刺的測(cè)量。用其他技術(shù)可以確定纖維層的設(shè)計(jì)厚度，例如，從那些圖9和10中所示的曲線，可以導(dǎo)出一給定針刺的設(shè)計(jì)厚度。類似地，在大致類似的工藝中，在基本上類似的纖維預(yù)成型結(jié)構(gòu)的形成期間，給定針刺過程的Wi可通過測(cè)定其值而被確定，或根據(jù)任意一個(gè)其他的在前面描述過的或相當(dāng)?shù)氖侄味淮_定。
重要的是，應(yīng)注意針刺任何給定層的影響實(shí)際上波及到好幾個(gè)較下部的纖維層。在圖11的13中，在每一針刺步驟中實(shí)際上被Z-纖維束穿過的纖維層由虛線示出。小數(shù)的表值表明，在那個(gè)針刺步驟期間，纖維從一纖維層的部分被轉(zhuǎn)移。因此，對(duì)隨后一層纖維的針刺則增加了在一下部纖維層中的Z-纖維束的數(shù)量。對(duì)隨后一層的纖維層的CQT值的增加，則會(huì)增加一下部層的，早先已針刺過的纖維層中的Z-纖維的數(shù)量。
圖6、8、9、10和11是基于纖維層和纖維預(yù)成形結(jié)構(gòu)的實(shí)際厚度的測(cè)量而得到的。在這些圖中，從一個(gè)測(cè)量到另一個(gè)測(cè)量的少量的偏移明顯的也是不可避免的。在實(shí)施本發(fā)明時(shí)，精確和重復(fù)測(cè)量纖維層厚度和纖維結(jié)構(gòu)的厚度是重要的。按照ASTMDI777-64(1995年被再認(rèn)可)的“測(cè)量紡織材料的標(biāo)準(zhǔn)方法”被優(yōu)選為厚度的測(cè)量方法。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，Z-纖維束的分布也可以用數(shù)量來表示，并且，可以獲得一理想的Z-纖維束的分布。再參見圖11，通過累計(jì)那些使Z-纖維束穿入到一給定層的針刺的數(shù)量可以估算穿入到每一纖維層的Z-纖維束的數(shù)量。如果在單個(gè)針刺期間所產(chǎn)生的Z-纖維束在形成纖維結(jié)構(gòu)的整個(gè)過程中都是恒定的，則通過累計(jì)在給定欄目中的表值的數(shù)量(包括任何一個(gè)小數(shù)的表值(由于Z-纖維束僅穿入纖維層的一部分所致))，可以估算穿入到每一纖維層的Z一纖維束的數(shù)量。圖11中，每一纖維層的總數(shù)標(biāo)明在名稱為“Zn”的一行中。然后，這樣來估算每層纖維的Z-纖維束的數(shù)量，即用一次針刺所產(chǎn)生的每單位面積的Z-纖維束的數(shù)量乘以Zn即可得到。例如，假定在圖11的工藝中每次針刺產(chǎn)生每平方厘米100個(gè)Z-纖維束，每一層的Z-纖維數(shù)量被標(biāo)在位于名稱為ZpL的那一欄中，在該例子中，其每一層的ZpL值為100乘以Zn。Z-纖維束的數(shù)量還可以包括在形成各纖維層的期間所產(chǎn)生的各纖維層中已經(jīng)包含的任何的Z-纖維束。例如，纖維層2-31可能已經(jīng)具有每平方厘米50個(gè)Z-纖維束，因此對(duì)于這些纖維層而言，以這個(gè)數(shù)量增加了總的ZpL值。如前面討論的那樣，纖維層2-31的每一層都具有3個(gè)單向的OPF纖維分層，它們被稍微地針刺在一起而形成一連接在一起的纖維層。纖維層1和32都是空氣法纖維網(wǎng)。兩種類型的纖維層已經(jīng)包含了一定數(shù)量的Z-纖維束。
現(xiàn)參見圖15，按照本發(fā)明的一個(gè)方面示出了一纖維結(jié)構(gòu)230的一截面圖。纖維結(jié)構(gòu)230包括一疊在一起的纖維層集201-224，該纖維層集201-224包括一個(gè)第1或上部纖維層組232，該上部纖維層組具有一下部纖維層213和一上部的纖維層224。按照一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例，該第1組232具有多個(gè)纖維層。纖維結(jié)構(gòu)230還具有一組Z-纖維束集240，該Z-纖維束集240在201-224的纖維層集中的纖維層之間穿過。Z-纖維束優(yōu)選地用這樣一種針刺工藝來生成，即重疊的纖維層在一組刺針的底下通過，這些刺針被循環(huán)地驅(qū)動(dòng)穿入纖維層中。如在此所使用的那樣，術(shù)語“針刺密度”對(duì)于給定纖維層來說，是指在那層纖維層中產(chǎn)生的單位面積的Z-纖維束的數(shù)量。例如，Z-纖維束319產(chǎn)生于纖維層219中，并且穿入到在下面的纖維層216-218中。為簡(jiǎn)明起見，在圖15中僅示出了由單個(gè)刺針產(chǎn)生的Z-纖維束。任何前面描述的針刺工藝適用于實(shí)施本發(fā)明。優(yōu)選地，在整個(gè)纖維結(jié)構(gòu)的形成中，每一次針刺產(chǎn)生一個(gè)恒定的單位面積的Z-纖維束數(shù)量，該單位面積表面對(duì)于該單位面積內(nèi)的Z-纖維束來說是垂直的。這可以這樣來實(shí)現(xiàn)，即使得纖維結(jié)構(gòu)在刺針的下面以一個(gè)恒定的速度向前移動(dòng)，并且以一個(gè)恒定的速度(每秒的穿刺次數(shù))循環(huán)地驅(qū)動(dòng)刺針穿入纖維結(jié)構(gòu)。然而，重要的是，應(yīng)該注意到，在纖維結(jié)構(gòu)形成的整個(gè)過程中，在給定的針刺期間，單位面積產(chǎn)生的Z-纖維束的數(shù)量可以被改變，這種情況可以這樣實(shí)現(xiàn)，即改變纖維結(jié)構(gòu)前進(jìn)的速度，和/或改變刺針循環(huán)的速度。任何這種變化都應(yīng)認(rèn)為是落在本發(fā)明權(quán)限的范圍內(nèi)的。
圖16示出了一種由針刺工藝產(chǎn)生的典型的Z-纖維束。Z-纖維束319產(chǎn)生于纖維層219中，并穿入到下面的纖維層216-218中。一帶鉤的刺針(未圖示)首先滲入纖維層319中并使纖維252產(chǎn)生位移，然后再抽出，因此產(chǎn)生了Z-纖維束319。這些已位移的纖維可以產(chǎn)生在任何一個(gè)纖維層216-219中，在圖示的例子中，纖維主要是從纖維層218和219被拉下的。Z-纖維束319只是被用來作個(gè)代表性的示意，而纖維層230中的其他Z-纖維束也會(huì)穿入不同數(shù)目的纖維層中，和類似于位移纖維252那樣，從多于兩層或少于兩層的纖維層使纖維產(chǎn)生位移，這取決于不同的因素，這些因素包括纖維的類型和針刺工藝的參數(shù)。
再參見圖15，第一組232內(nèi)的每一個(gè)纖維層分別具有具有Z-纖維束240的部分313-324并且纖維束穿入下面的纖維層而不穿過所有下面的纖維層。例如，對(duì)于纖維層219來說，Z-纖維束319出現(xiàn)在纖維層219中，并且穿入下面的纖維層216、217和218中而不穿入下面的纖維層201-215中。所有纖維層201-224的圖示表明，每一纖維層都具有出現(xiàn)在這個(gè)纖維層中的Z-纖維束301-324部分，并且該部分穿入下面的纖維層中。第1組纖維層232內(nèi)的Z-纖維束313-324部分，其穿入纖維層數(shù)的情況從下部的纖維層213到上部的纖維層224是增加的。根據(jù)一優(yōu)選的實(shí)施例，這種傾向使得每層的Z-纖維的數(shù)量在第1組232內(nèi)相對(duì)于下部纖維層213而增加。例如，比較圖15所示的纖維層213和221的這兩段將發(fā)現(xiàn)纖維層213中的Z-纖維束為22束而纖維層220中的Z-纖維束為36束。如圖所示，每層Z-纖維數(shù)量的增加使得Z-纖維束從上部開始向下延伸從而增加了下部先前已針刺過的纖維層的Z-纖維束的數(shù)量。因此，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，第1組232內(nèi)的每一纖維層213-224都有一定數(shù)量的Z-纖維束穿入那一層纖維層中，并且，至少一個(gè)纖維層216-220被置于下部纖維層213和上部纖維層224之間并且比下部的纖維層213有更多總量的Z-纖維束，這至少部分地由于下部的纖維層213到上部的纖維層224，纖維層的數(shù)量是增加的。
還參見圖15，該重疊纖維層集201-224還可進(jìn)一步包括一具有第2下部纖維層207和第2上部的纖維層212的第2或下部纖維組234。按照一優(yōu)選的實(shí)施例，第2組234被設(shè)置在第1組232的下部。第2組234內(nèi)的每一纖維層具有在該組纖維層內(nèi)的Z-纖維束240的307-312部分并穿入下面的纖維層，但不是穿入所有的下面的纖維層201-206。Z-纖維束的部分穿入從第2下部纖維層207到第2上部纖維層212逐漸減少的纖維層中。第2組234內(nèi)的每一纖維層207-212具有一定數(shù)量的Z-纖維滲入其中，并且至少一設(shè)置在纖維層207和纖維層212之間的纖維層有比纖維層207數(shù)量少的Z-纖維束，這至少部分是由于纖維層的數(shù)量從纖維層207到第2上部纖維層212是在減少的。例如，纖維層211和207在圖15所示的這些層的區(qū)段依次各具有21束和29束Z-纖維束。Z-纖維束數(shù)量的減少是因?yàn)橛蒢-纖維束穿入的纖維層的數(shù)目在隨后的針刺期間是減少的，并且Z-纖維束不被轉(zhuǎn)移到下部的先前已針刺過的纖維層，而要是纖維層的數(shù)目保持恒定或增加的話，這些Z-纖維束是會(huì)被轉(zhuǎn)移的。
根據(jù)一個(gè)特別優(yōu)選的實(shí)施例，第2組234位于第1組232的下面，并且該纖維層集201-224包括兩個(gè)外部纖維層201和224，并且好幾個(gè)中間層202-223置于兩個(gè)外部纖維層201和224之間。在纖維層集201-224中的每一纖維層具有一定數(shù)量的Z-纖維束穿入其中。Z纖維束最多可分布在201～224層之間，最少要分布在202～223之間。這些數(shù)目的每層纖維層的Z-纖維束的層挨層的分布，如圖15所示可以是以纖維結(jié)構(gòu)230的中心線為對(duì)稱的。底下的一組纖維層236具有產(chǎn)生于纖維層201-206中的Z-纖維束集301-306的部分。注意，Z-纖維束產(chǎn)生于纖維層201-206之一層中，并且穿入所有下面的纖維層。236組內(nèi)的纖維層的數(shù)目取決于理想的Z-纖維分布。
現(xiàn)在參見圖17，所示為一制動(dòng)盤的徑向截面，它具有一環(huán)形的纖維結(jié)構(gòu)，且具有兩個(gè)一般為平的表面244和246，并被一內(nèi)圓周面250和一外圓周面248所界定。該纖維結(jié)構(gòu)具有類似于圖15的Z-纖維分布，因此，兩外部區(qū)段242較內(nèi)部區(qū)段243具有更多的Z-纖維束。這些纖維層一般平行于該外部的，大致為一平的面244和246。連接基質(zhì)穿入該環(huán)形的纖維結(jié)構(gòu)。兩外部區(qū)段242相鄰于平的面層244和246，而一內(nèi)部區(qū)段243置于兩外部區(qū)段242之間。在一些纖維層中從一個(gè)纖維層上拉撥纖維生成Z-纖維束會(huì)降低制動(dòng)盤中該層的抗拉強(qiáng)度(垂直于針刺的方向)。由于針刺而將連續(xù)的長(zhǎng)絲弄斷成較短的纖維，因此含有一般為連續(xù)長(zhǎng)絲的纖維層都具有這些特性。這樣-種纖維層的抗拉強(qiáng)度隨著在針刺期間從該層拉拔的纖維量的增加而降低。在纖維結(jié)構(gòu)230中，外部區(qū)段242的Z-纖維束較內(nèi)部區(qū)段243中的Z-纖維束有較長(zhǎng)的長(zhǎng)度，這即意味有較多的纖維從外部區(qū)段242拉出。因此，在垂直于針刺的方向，兩外部區(qū)段242較內(nèi)部區(qū)段243有較小的抗拉強(qiáng)度。另一方面，在一纖維層中Z-纖維束數(shù)量的增加傾向于增加該層的抗機(jī)械磨損性。因此，外部區(qū)段242較內(nèi)部區(qū)段243有較高的抗磨性。再者，在纖維層間穿過的Z-纖維束數(shù)量的增加則會(huì)增加制動(dòng)盤層間的剪切強(qiáng)度，從而，外部區(qū)段242還具有比內(nèi)部區(qū)段243更大的層間剪切強(qiáng)度(應(yīng)牢記隨著針刺的增加剪切強(qiáng)度會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值，然后又會(huì)減少)。因此，圖15的穿過厚度的Z-纖維分布提供了一種函數(shù)梯度。制動(dòng)盤238在相鄰于平的耐磨表面244和246的外部區(qū)段242具有最大的抗磨和抗剪切強(qiáng)度，而在內(nèi)部區(qū)段243又具有最大的抗拉強(qiáng)度。優(yōu)選地，對(duì)于一種特別的纖維結(jié)構(gòu)，針刺工藝以及密實(shí)化(壓實(shí)的)的方法，這種抗拉強(qiáng)度和層間剪切強(qiáng)度特性作為針刺的函數(shù)被實(shí)驗(yàn)性地確定下來。最后，圖15中的Z-纖維分布可以通過改變出現(xiàn)在每個(gè)纖維層中的單位面積的Z-纖維數(shù)量(針刺密度)而得以增強(qiáng)，該單位面積表面對(duì)Z-纖維束來說是垂直的。例如，在232和236組中的纖維層可以受到比在234組中的纖維層更大的針刺密度的加工，這就進(jìn)一步加大了貫穿厚度的Z-纖維梯度的分布?？梢杂酶鞣N方法來完成對(duì)針刺密度的增加，這包括增加針刺期間每單位面積的刺針的次數(shù)，和/或使一纖維層受到至少兩次針刺而不增加另外的纖維材料。
現(xiàn)在參見圖18，其中按照本發(fā)明的另一個(gè)方面圖示了一纖維結(jié)構(gòu)430。纖維結(jié)構(gòu)430具有一疊置的纖維層集401-424，一個(gè)第1組纖維層432，和一個(gè)第2組纖維層434。纖維結(jié)構(gòu)430類似于纖維結(jié)構(gòu)230，只是第2組434(類似于組234)是上部組，而第1組432(類似于組232)是置于第2組或上部組434下面的一個(gè)下部組。第1組432具有一下部纖維層404和一上部纖維層412，并且優(yōu)選地具有多個(gè)纖維層。纖維結(jié)構(gòu)430也具有一在該纖維層集401-424中的纖維層之間穿過的Z-纖維束440集。參見圖15，如前所述，優(yōu)選地，當(dāng)疊置的纖維層在許多刺針下面被傳送時(shí)，刺針被循環(huán)地驅(qū)動(dòng)插入該纖維層中，由這樣的一種針刺工藝產(chǎn)生了Z-纖維束440。為了簡(jiǎn)明起見，圖18中僅示出了由單個(gè)刺針產(chǎn)生的Z-纖維束。類似于圖15的組236，配置了一個(gè)底部組的纖維層組436。
還參見圖18，將第一組432設(shè)置在第2組434的下面使得一纖維結(jié)構(gòu)具有與圖15圖示所不同的Z-纖維分布。該纖維層集401-424中的每個(gè)纖維層具有一定數(shù)量的Z-纖維束穿入到其中。Z-纖維束的數(shù)量具有這樣一種分布，即在外部纖維層401和424中為最少而在中間纖維層402-423的地方為最多。如圖19所示，這種層靠層的每個(gè)纖維層的Z-纖維束的數(shù)量的分布可以以纖維結(jié)構(gòu)430的中心線為對(duì)稱。如圖15和19所示的對(duì)稱的分布并不是實(shí)施本發(fā)明所必須的。另外，本發(fā)明的纖維結(jié)構(gòu)可具有任何數(shù)量的恒定或變化厚度的纖維層，并且對(duì)于每一纖維層來說，由Z-纖維束穿入的纖維層的數(shù)量可以按照?qǐng)D15和19所示的那樣進(jìn)行改變而產(chǎn)生各種Z-纖維分布，而這些分布對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說借助在此公開的內(nèi)容是明顯的。任何這種變化都應(yīng)認(rèn)為落入本發(fā)明權(quán)限的范圍內(nèi)。
現(xiàn)在參見圖19，其中按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，示出了一種均勻的纖維結(jié)構(gòu)630。纖維結(jié)構(gòu)630具有一重疊的纖維層集601-620，該纖維層集包括一個(gè)下部纖維層601和一上部纖維層620。纖維層601和620也被作為最外部的纖維層。一Z-纖維束集640穿過該組纖維層601-620中的纖維層間。該重疊的纖維層集601-620包括一上部纖維層組632和一個(gè)在該上部纖維層組下面的下部纖維層組634。Z-纖維束集640接合在該組纖維層601-620中。上部纖維層組632中的每個(gè)纖維層606-620具有一個(gè)Z-纖維束集的部分706-720該Z-纖維束集出現(xiàn)在該層纖維層中并且穿過數(shù)個(gè)位于該層纖維層之下的纖維層而不穿過位于該層纖維層之下的所有的纖維層。在上部區(qū)段632中由Z-纖維束706-720穿入的纖維層數(shù)量是恒定的。數(shù)個(gè)纖維層的下部組634中的每一層纖維601-605都具有一個(gè)Z-纖維束集部分，它們產(chǎn)生于該層纖維層中，并且穿過位于該層纖維層下面的所有的纖維層。
根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，每一纖維層都具有一定數(shù)量的Z-纖維束穿入到該纖維層中，并且該Z-纖維束的數(shù)量是恒定的。例如，纖維結(jié)構(gòu)630中，出現(xiàn)在上部組632的Z-纖維束706-720的各段穿入5個(gè)相鄰的纖維層，其結(jié)果是，在示出的截面中，每一纖維層601-620各具有43束Z-纖維束。優(yōu)選地，這種情況可通過下述方法來實(shí)現(xiàn)，即由恒定數(shù)目的在上部組632的Z-纖維束穿入到該確定數(shù)目的纖維層中，以此來保持一個(gè)恒定的針刺密度，并且在下部組634中設(shè)置必要數(shù)目的纖維層，以便在下部組的纖維層中獲得理想數(shù)目的Z-纖維束。注意，圖19中，下部纖維層組634中的纖維層的數(shù)目與在上部組632中由Z-纖維穿入的纖維層的數(shù)目是一致的(5個(gè))。該纖維結(jié)構(gòu)630在從纖維層601-620的整個(gè)厚度上具有均勻的物理特性。由使該纖維結(jié)構(gòu)630密實(shí)化而制得的制動(dòng)盤在該盤的整個(gè)厚度上具有均勻的耐磨性、強(qiáng)度和熱傳導(dǎo)特性。由于其整個(gè)厚度上是均勻的，因此，當(dāng)該盤磨損時(shí)，這些特性都保持恒定。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，即提供一種纖維結(jié)構(gòu)，該纖維結(jié)構(gòu)具有穿入一恒定數(shù)目的纖維層的Z-纖維束，每一纖維層都有一定數(shù)目的Z-纖維束滲入其中，并且該Z-纖維的數(shù)目在纖維結(jié)構(gòu)中是不恒定的。例如，最外層的纖維層較置于該最外層之間的中間的纖維層來說具有其兩倍數(shù)量的Z-纖維束。在形成纖維結(jié)構(gòu)時(shí)，通過改變針刺密度可以改變Z-纖維束的數(shù)量。在對(duì)內(nèi)部段243的纖維層針刺的時(shí)候，將針刺密度減小到一最小值，可以取得功能上與圖15所示的分布類似的一種Z-纖維分布。利用這種方法設(shè)置在最外層纖維層之間的纖維層將具有最少量的Z-纖維束產(chǎn)生于該層中。以一個(gè)初始針刺密度來開始對(duì)第1纖維層的針刺，在對(duì)中間層的纖維層的針刺時(shí)，減少至一個(gè)最小的或少量的針刺密度，而在對(duì)最后的纖維層的針刺時(shí)增加到一個(gè)最后的針刺密度。初始和最后的針刺密度一般可以相等，并且一般相應(yīng)于一個(gè)最大的針刺密度。如果針刺密度改變的話，出現(xiàn)在每一纖維層的單位面積的Z-纖維數(shù)量就是不恒定的。因此，通過將Z-纖維束穿入一個(gè)在上部組632中恒定數(shù)目的纖維層，可以取得一預(yù)定的Z-纖維束分布。
按照本發(fā)明的另一個(gè)方面，即提供一種形成纖維結(jié)構(gòu)的方法，該纖維結(jié)構(gòu)可通過改變Z-纖維束的長(zhǎng)度而被賦予具有一種預(yù)定的Z-纖維束分布。在描述該方法時(shí)請(qǐng)參照?qǐng)D15的纖維結(jié)構(gòu)230，然而，該方法同樣也應(yīng)用于其他的具有另外的Z-纖維的分布的纖維結(jié)構(gòu)上，而任何這種變化都應(yīng)認(rèn)為落入本發(fā)明權(quán)限的范圍內(nèi)。本發(fā)明的方法包括下列步驟，在多次針刺中對(duì)纖維層進(jìn)行針刺，將一纖維層集201-224疊置在一起，因此在纖維層201-224的纖維層集中產(chǎn)生一個(gè)Z-纖維束集，每次針刺都產(chǎn)生穿過數(shù)個(gè)相鄰纖維層的Z-纖維束集部分，Z-纖維束集240的每一部分302-324僅穿入那些需要更多Z-纖維束的相鄰的纖維層，以便在纖維層集201-224的每一層纖維層中獲得預(yù)定數(shù)量的Z-纖維束。例如，可以假定，在一纖維結(jié)構(gòu)中，表2所示的預(yù)定的Z-纖維束分布是所希望的分布，其中N為在單個(gè)針刺期間產(chǎn)生的單位面積內(nèi)的Z-纖維束的數(shù)量。
表2纖維層 Z-纖維束數(shù)量1-3 6*N4-6 5*N7-9 4*N10-15 3*N16-18 4*N19-21 5*N22-24 6*N
具有這種Z-纖維分布的一種纖維結(jié)構(gòu)230可以這樣形成，對(duì)纖維層進(jìn)行多次針刺，使每次針刺在每一層中產(chǎn)生一組纖維束，這組纖維束穿入到表3所示的那個(gè)數(shù)目的纖維層中。以該實(shí)施例為例，可以設(shè)想，將纖維層201針刺到至少一層下部纖維層200上，以此來開始加工，因?yàn)橐话阒辽傩枰?個(gè)纖維層來產(chǎn)生Z-纖維束，除非纖維層201相當(dāng)?shù)暮?。此外，為了在加工結(jié)束時(shí)在纖維層322-324中產(chǎn)生Z-纖維束，還提供了纖維層225和226。
表3針刺 纖維層數(shù)1 22 33 44 55-8 69-10 511-12 413-18 319-22 423-25 5264275284293在隨后的加工中纖維層200和225-226被去掉，這就讓纖維結(jié)構(gòu)230具有理想的Z-纖維分布。在隨后的CVI/VD處理期間，去除外部纖維層是一種常規(guī)的加工。不過在纖維結(jié)構(gòu)230的兩側(cè)面提供相同數(shù)目的可去除的纖維層是理想的，因?yàn)樵陔S后的加工處理期間，最好是從兩側(cè)去除相同量的材料。在從針刺層202到224的每一穿刺之前，即時(shí)地加一層附加的纖維層。纖維層225受到一次初始針刺(針刺25)，接下來是一個(gè)其纖維結(jié)構(gòu)相對(duì)于刺針組被降低了的退縮了的針刺，然后再受到一個(gè)針刺(針刺26)，而纖維層226受到一個(gè)初始的針刺(針刺27)，接著是兩次退縮的針刺(針刺28和29)。針刺25和26產(chǎn)生Z-纖維束325，而針刺27-29產(chǎn)生Z-纖維束326。附加纖維層的數(shù)目和退縮的針刺的數(shù)量取決于外層纖維層中的理想的Z-纖維分布。注意，表2的Z-纖維分布是關(guān)于纖維結(jié)構(gòu)的中點(diǎn)對(duì)稱的，而用于每次針刺的相鄰纖維層的數(shù)目是非對(duì)稱的。并且在纖維層集201-224中是變化的。因此，按照優(yōu)選的實(shí)施例，對(duì)纖維層集201-224疊加和針刺的步驟是從底部纖維層200開始的，并且進(jìn)行到頂層纖維層224或者在提供附加層的情況下超出頂層224，如進(jìn)行到纖維層225和226。在每一個(gè)針刺穿針期間，最好每單位面積內(nèi)產(chǎn)生一恒位定數(shù)量的Z-纖維束。然而，在形成纖維結(jié)構(gòu)的整個(gè)過程中，單位面積產(chǎn)生的Z-纖維束的數(shù)量是可以變化的。
本發(fā)明的工藝方法具有相當(dāng)大的柔性，并且可以用來產(chǎn)生多種Z-纖維分布。表4示出了具有Z-纖維分布的纖維結(jié)構(gòu)430的一種纖維結(jié)構(gòu)，可以通過在如表5所示的每次針刺期間產(chǎn)生Z一纖維束來生產(chǎn)該纖維結(jié)構(gòu)。對(duì)于該實(shí)施例來說，可以設(shè)想，可以這樣來開始該工藝，將纖維層401針刺到至少1層下部的纖維層400上，因?yàn)橐话阒辽傩枰獌蓪永w維層來產(chǎn)生Z-纖維束，除非纖維層401相當(dāng)厚。此外，在本工藝的末期，提供纖維層425，以便在針刺25期間在纖維層424產(chǎn)生Z-纖維束525。在隨后的工藝中纖維層400和425都被去除掉，這就讓纖維結(jié)構(gòu)430具有理想的Z-纖維分布。如對(duì)于纖維結(jié)構(gòu)230，理想的是，在兩側(cè)提供相同數(shù)目的可去除的纖維層，因這在隨后的加工中，最好從該纖維結(jié)構(gòu)的兩側(cè)去除相同數(shù)量的材料。從針刺2到24，在每次針刺之前，加上一層附加的纖維層。
表4纖維層 Z-纖維束數(shù)201-2033*N204-2064*N207-2095*N
210-215 6*N216-218 5*N219-221 4*N222-224 3*N表5針刺 纖維層數(shù)1 22-637-10 411-13 514-20 621-22 523-24 4252具有圖19的纖維結(jié)構(gòu)630的Z-纖維分布的一種纖維結(jié)構(gòu)可以這樣來生產(chǎn)，即，如表6所示，在每次針刺期間產(chǎn)生Z-纖維束。纖維結(jié)構(gòu)630在每一層纖維層601-620中具有恒定數(shù)量的Z-纖維束，其數(shù)量可以是5*N。至于該實(shí)施例，可以設(shè)想，這樣來開始該工藝，即將纖維層601針刺到至少一層下部纖維層600上，因?yàn)橐话阒辽傩枰獌蓪永w維層來產(chǎn)生Z-纖維束，除非纖維層601相當(dāng)?shù)暮?。此外，在該工藝的末期，為了在針?1期間在纖維層620中產(chǎn)生Z-纖維束721，提供了纖維層621。在隨后的加工處理期間，將纖維層600和621去除，這就使纖維結(jié)構(gòu)630留有一種理想的Z-纖維分布。從針刺2至20，在每次針刺之前加一層附加的纖維層。在針刺密度恒定的情況下，表6的值可生成一種均勻的纖維結(jié)構(gòu)。但如前所述，其針刺密度可以是非恒定的且在針刺加工期間可被改變，以產(chǎn)生一種預(yù)定的Z-纖維分布。
表6
針刺纖維層數(shù)1 22 23 34 45-20 521 2在根據(jù)本發(fā)明的方法中，在多次針刺中，將纖維層集連結(jié)在一起，每次針刺包括下列步驟，將至少一層纖維層疊置在通過先前的針刺已經(jīng)連接在一起的纖維層上。產(chǎn)生的纖維束從至少一層纖維層伸到先前已經(jīng)連接在一起的纖維層上，每一個(gè)在先前已連接在一起的纖維層在隨后的針刺期間接受Z-纖維束，直到該層的Z-纖維束達(dá)到該層預(yù)定的一個(gè)Z-纖維束的數(shù)量，因此，在纖維層集的每一纖維層具有該層纖維預(yù)定的一個(gè)Z-纖維束的數(shù)量。由至少一部分針刺的所產(chǎn)生的Z-纖維束并不穿入所有先前已針刺過的纖維層。如到現(xiàn)在為止描述的那樣，由成組的Z-纖維束穿入的相鄰纖維層的數(shù)目一直是以整數(shù)來表述的，為的是簡(jiǎn)化對(duì)本發(fā)明的描述。當(dāng)需要的時(shí)候，為獲得理想的Z-纖維分布，相鄰的纖維層的數(shù)目還可以包括小數(shù)(或分?jǐn)?shù))的纖維層。在實(shí)際應(yīng)用中，由成組的Z-纖維束穿入的相鄰纖維層的數(shù)目一般包括由小數(shù)來表示的纖維層。
參見圖15-19所描述的為形成具有理想的Z-纖維束的纖維結(jié)構(gòu)的工藝，在應(yīng)用時(shí)可以考慮如圖1-14所描述的壓實(shí)和最小轉(zhuǎn)移，或不考慮這些因素。在被轉(zhuǎn)移的纖維極少有或沒有拉回其起始的那一層或那些層纖維層的趨勢(shì)的情況下，則沒有必要考慮最小的纖維轉(zhuǎn)移。若用于特殊工藝的纖維層在隨后的針刺期間極少有或沒有壓實(shí)的趨勢(shì)的情況下，則沒有必要考慮先前已針刺過的纖維層的壓實(shí)因素。如果壓實(shí)是一種因素的話，則最好用公式7來計(jì)算在一給定的針刺期間實(shí)際的轉(zhuǎn)移深度，并最好用公式8來計(jì)算下一次針刺的基板的位置設(shè)定。通過將在下一次針刺中要被Z-纖維穿入的的一定數(shù)目的纖維層(在有由小數(shù)表示層數(shù)的情況下應(yīng)包括由小數(shù)表示的層數(shù))的厚度相加在一起，則可確定公式8中的理想的轉(zhuǎn)移深度D11i。由任何一種參照?qǐng)D1-14所公開的方法可以估算各個(gè)纖維層的厚度。如前面參見圖11所描述的那樣，根據(jù)本發(fā)明的工藝可以交替地在公式7和公式8之間，利用一種自動(dòng)地受控制的“預(yù)測(cè)器-修正器”技術(shù)而施行。
按照一種優(yōu)選的實(shí)施例，所有或某些纖維層具有3個(gè)單向的連續(xù)的OPF纖維的分纖維層，如前所述，它們被稍微地針刺在一起而形成一個(gè)連接在一起的纖維層。該針刺工藝?yán)昧艘环N帶孔的基板，如圖4A和4B所示，并且最好應(yīng)考慮壓實(shí)因素及最小轉(zhuǎn)移因素。然而，重要的是，應(yīng)注意，用于一給定的針刺工藝的最小轉(zhuǎn)移，壓實(shí)特性以及纖維的轉(zhuǎn)移特性都被以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)地確定下來，以用于該工藝中。這種特性可根據(jù)在此公開的原理加以確定。
最后，還參考對(duì)圖15-19描述的工藝，沒有必要確定從每層纖維層轉(zhuǎn)移的纖維量和確定那些纖維從其上轉(zhuǎn)移的纖維層組，或者沒有必要對(duì)于每一層都形成具有理想的CQT的纖維結(jié)構(gòu)。然而，最好對(duì)CQT值數(shù)量化，因?yàn)樗砻?，在纖維結(jié)構(gòu)中纖維從何處開始轉(zhuǎn)移，以及從每一層中轉(zhuǎn)移了多少纖維。如前所述，從某纖維層中轉(zhuǎn)移纖維則會(huì)影響到該層纖維層的機(jī)械強(qiáng)度。最好，至少在部分纖維結(jié)構(gòu)中將CQT值維持在一預(yù)定的范圍內(nèi)。根據(jù)圖15，用于制動(dòng)盤的纖維結(jié)構(gòu)最好在其耐磨表面具有的ZpL值是在每平方厘米650-750個(gè)Z-纖維束的范圍內(nèi)，并且在接近中心線的地方具有一最小的ZpL值，其值大約為500-600的范圍之間(包括在形成那層纖維層期間產(chǎn)生的已出現(xiàn)在各纖維層中的任何的Z-纖維束)。在根據(jù)圖11計(jì)算的時(shí)候(最好用公式6a)，耐磨表面之間的每一層的CQT值最好維持在200-500的范圍內(nèi)。用于按照?qǐng)D19的制動(dòng)盤的纖維結(jié)構(gòu)可以具有一般為恒定的大約為每平方厘米625個(gè)Z-纖維束的ZpL值且其CQT值在250-350的范圍內(nèi)。
通常垂直于針刺方向上的單位面積的Z-纖維數(shù)可以通過改變針刺密度，通過改變?cè)诖斯_的轉(zhuǎn)移深度，以及通過一起改變針刺密度和轉(zhuǎn)移深度而在一給定的纖維層內(nèi)得以變化。可以利用任何的這些途徑來應(yīng)用本發(fā)明，并且，任何這類的變化都被認(rèn)為是落入本發(fā)明權(quán)限的范圍內(nèi)。在根據(jù)間增加每單位面積的刺針穿刺數(shù)，和/或使一個(gè)纖維層受到至少兩次針刺而不添加另外的纖維材料。
用于圖17中的制動(dòng)盤238的一種有梯度的Z-纖維分布可以以其他方式來實(shí)現(xiàn)。這種工藝方法可以包括這樣的步驟以多次針刺形成一種Z-纖維束集，這些纖維束在疊置著的纖維層集中的纖維層之間穿過，由此形成了一種具有兩個(gè)外部區(qū)段242和一個(gè)在兩個(gè)外部區(qū)段242之間的內(nèi)部區(qū)段243，每一次針刺都具有一個(gè)針刺密度，并在形成兩外部區(qū)段242時(shí)其針刺密度大于在形成內(nèi)部區(qū)段時(shí)的針刺密度。通過形成滲入纖維層中的連接基質(zhì)，從這樣一種纖維結(jié)構(gòu)可以形成一種制動(dòng)盤。兩外部區(qū)段242較內(nèi)部區(qū)段243具有更多的Z-纖維束。如參見圖17所述的那樣，由此制得的制動(dòng)盤在外部區(qū)段242比在內(nèi)部區(qū)段243具有較小的平行于表面244和246的抗拉強(qiáng)度及具有較大的耐磨性?？梢赃@樣來增加其針刺密度，即在添加另外的纖維材料之前，使外部區(qū)段242中的至少一層纖維層受到至少兩次針刺。通過改變每平方面積的刺針穿刺的數(shù)量或綜合這兩種技術(shù)，也可改變針刺密度。任何一種這樣的工藝可以與任何一種到此為止所討論的工藝結(jié)合而加以應(yīng)用。
顯然，可能有各種各樣的變化方案，但它們都不脫離由以下權(quán)利要求限定的本發(fā)明的真正的范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種用于形成纖維結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟將一纖維層集疊置在一起并通過多次針刺將纖維層集針刺在一起，該纖維層集內(nèi)產(chǎn)生一Z-纖維束集，每次針刺都產(chǎn)生穿過相鄰纖維層的Z-纖維束集的一部分，每部分Z-纖維束只穿過那些需要更多Z-纖維束的相鄰纖維層，以便在纖維層集中的每個(gè)纖維層內(nèi)獲得預(yù)定數(shù)量的z-纖維束。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說的將纖維層集重疊并且針刺的步驟由下纖維層開始，并向上纖維層進(jìn)行，部分所說的Z-纖維束集產(chǎn)生于所說的上纖維層并且穿進(jìn)放置在所說上纖維層下面的至少一個(gè)纖維層，而不是穿過放置在所說上纖維層下面所有所說的纖維層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說的纖維層集包括上組纖維層和放置在所說上組纖維層下面的下組纖維層，一部分所說的Z-纖維束集產(chǎn)生于所說上組纖維層中的纖維層內(nèi)，而不伸進(jìn)位于所說上組纖維層下面所有所說的纖維層。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在整個(gè)所說的纖維層集中所說的每一纖維層的預(yù)定數(shù)量的Z-纖維束是恒定的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中所說的每一纖維層的預(yù)定數(shù)量的Z-纖維束在整個(gè)所說的纖維層集中是變化的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在所說的疊加和針刺所說的纖維層集期間，先前針刺的纖維層在針刺后續(xù)加入的纖維層過程中被壓實(shí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在每次針刺時(shí)產(chǎn)生的Z-纖維束具有的長(zhǎng)度等于由該次針刺的那些纖維束滲透的相鄰纖維層估算纖維層厚度的總和，如果所說數(shù)量的相鄰纖維層包括小數(shù)的纖維層，則所說的纖維層總和也包括小數(shù)的纖維層的厚度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在每次針刺期間產(chǎn)生單位面積上恒定數(shù)量的Z-纖維束，所說的單位面積與位于單位面積表面之內(nèi)的所說Z-纖維束垂直。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中每一所說部分Z-纖維束部分都穿進(jìn)相同數(shù)量的相鄰纖維層。
10.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中至少一部分所說的Z-纖維束與至少其它部分所說的纖維束不同并穿進(jìn)不同數(shù)量的相鄰纖維層。
11.根據(jù)權(quán)利要求8的方法，其中所說的相鄰纖維層的數(shù)量對(duì)于至少一次針刺來說是一整數(shù)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中在至少一次針刺期間產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維層數(shù)量不同于在至于另一次針刺期間產(chǎn)生的所說的單位面積上Z-纖維層數(shù)量，所說的單位面積與位于單位面積面之內(nèi)的所說Z-纖維束垂直。
13.一種用于形成纖維結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟通過多次針刺將纖維層集連接在一起，每次針刺包括將至少一層纖維層疊加到由前次針刺而先行連接在一起的纖維層之上，而且產(chǎn)生出從至少一個(gè)纖維層伸進(jìn)先前連接在一起的纖維層內(nèi)的Z-纖維束，在后續(xù)針刺期間，每個(gè)先前連接的纖維層接受Z-纖維束，直到在那個(gè)纖維層內(nèi)Z-纖維束的數(shù)量達(dá)到其要求達(dá)到的z-纖維束的預(yù)定數(shù)量為止，從而在纖維層集中的每一個(gè)纖維層都具有該纖維層所要求的Z-纖維束的預(yù)定數(shù)量。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中由至少一部分所說針刺過程產(chǎn)生的所說Z-纖維束不穿過所說的所有的先前針刺纖維層。
15.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中在整個(gè)所說的纖維層集中每個(gè)纖維層的所說Z-纖維束的預(yù)定數(shù)量是恒定的。
16.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中在所說的纖維層集內(nèi)，每一個(gè)纖維層的所說的Z-纖維束的預(yù)定數(shù)量是變化的。
17.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中所說的先前針刺的纖維層在后續(xù)針刺期間被壓實(shí)。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中在每次針刺期間產(chǎn)生單位面積上恒定數(shù)量的Z-纖維束，所說的單位面積與位于所說的單位面積面內(nèi)的所說Z-纖維束垂直。
19.根據(jù)權(quán)利要求13的方法，其中至少一次針刺期間產(chǎn)生的單位面積上所說Z-纖維束數(shù)量不同于在至少另外一次針刺期間產(chǎn)生的單位面積上所說Z-纖維束數(shù)量，所說的單位面積與位于所說單位面積面內(nèi)的所說Z-纖維束垂直。
20.一種用于形成纖維結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟確定每次針刺時(shí)由Z-纖維束穿過的相鄰纖維層的理想數(shù)量，這樣，在每一層中，由每一次針刺而產(chǎn)生的Z-纖維束總數(shù)等于對(duì)該纖維層所要求的Z-纖維束的預(yù)定數(shù)量；以及將纖維層集疊置并通過多次針刺將其針刺在一起，該針刺在纖維層集內(nèi)產(chǎn)生Z-纖維束集，由每次針刺產(chǎn)生的Z-纖維束穿過所需數(shù)量的相鄰的纖維層，從而在纖維層集中的每一纖維層都獲得理想數(shù)量的Z-纖維束。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的方法，其中在每次針刺期間產(chǎn)生單位面積上恒定數(shù)量的Z-纖維束，在疊加及針刺所說的纖維層集期間先前針刺的纖維層在針刺后續(xù)加入的纖維層期間被壓實(shí)，所說的單位面積面與位于所說單位面積內(nèi)的所說Z-纖維束垂直。
22.一種用于加工纖維結(jié)構(gòu)的方法，包括步驟在一疊置的纖維層集內(nèi)形成于纖維層之間穿過的Z-纖維束集，所說的疊置的纖維層集包括具有一個(gè)下纖維層和一個(gè)上纖維層的第一組纖維屋，在該第一組纖維層內(nèi)的每一纖維層都具有一定數(shù)量的Z-纖維束產(chǎn)生于該纖維層內(nèi)，并且穿過位于該纖維層之下的數(shù)個(gè)纖維層，而不穿過位于該纖維層之下的所有纖維層，所述纖維層的數(shù)量由下纖維層向上是增加的。
23.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所說的第一組纖維層含有數(shù)個(gè)纖維層。
24.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中至少部分由于所述纖維層的數(shù)量從所說的下纖維層向所說的上纖維層是增加的，所說第一組纖維層內(nèi)的每個(gè)纖維層具有許多Z-纖維束穿進(jìn)該纖維層。
25.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中在所說的第一組纖維層內(nèi)在每個(gè)纖維層內(nèi)產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維束的數(shù)量是恒定的，所說的單位面積面與位于所說單位面積內(nèi)的所說Z-纖維束垂直。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的方法，其中在所說的第一組纖維層內(nèi)在每個(gè)纖維層內(nèi)產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維束的數(shù)量是變化的，所說的單位面積面與位于所說單位面積內(nèi)的所說Z-纖維束垂直。
27.根據(jù)權(quán)利要求22的方法，其中所說的疊置的纖維層集包括具有一個(gè)第二下纖維層及一個(gè)第二上纖維層的第二組纖維層，在所說的第二組纖維層內(nèi)的每個(gè)纖維層都具有產(chǎn)生于該纖維層內(nèi)的一部分所說的Z-纖維束集并且它們穿過放置在該纖維層下面的若干個(gè)纖維層，而不是穿過放置在該纖維層下面的所有所說的纖維層，所說的纖維層數(shù)量從所說的第二下纖維層向所說的第二上纖維層是減少的。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中至少部分地由于所說的纖維層數(shù)量從所說的第二下纖維層向所說的第二上纖維層在增加，在所說的第二組纖維層內(nèi)的每個(gè)纖維層都有穿進(jìn)該纖維層的若干個(gè)Z-纖維束。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所說的第二組纖維層放置在所說的第一組纖維層下面。
30.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所說的第一組纖維層放置在所說的第二組纖維層下面。
31.根據(jù)權(quán)利要求27的方法，其中所說的第二組纖維層直接放置在所說的第一組纖維層下面，以及在所說的纖維層集內(nèi)的每個(gè)纖維層都有穿進(jìn)該纖維層的若干個(gè)Z-纖維束，所說的Z-纖維束的數(shù)量在所說的外部纖維層內(nèi)最多，在所說的中間纖維層內(nèi)最少。
32.一種纖維結(jié)構(gòu)，包括包括具有下纖維層與上纖維層之第一組纖維層的一疊置纖維層集；以及在位于纖維層集內(nèi)的纖維層之間穿過的Z-纖維束集，在第一組纖維層內(nèi)的每一纖維層都有一部分Z-纖維束產(chǎn)生于該纖維層內(nèi)，并且刺進(jìn)其下面的纖維層，而不穿過所有在其下面的纖維層，部分Z-纖維束穿入纖維層的數(shù)目是從下纖維層向上纖維層增加的。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的纖維結(jié)構(gòu)，其中所說的第一組纖維層含有數(shù)個(gè)纖維層。
34.根據(jù)權(quán)利要求32的纖維結(jié)構(gòu)，其中至少部分由于所說的纖維層數(shù)從所說的下纖維層到所說的上纖維層是增加的，在所說的第一組纖維層內(nèi)的每個(gè)纖維層都有穿進(jìn)該纖維層的若干Z-纖維束。
35.根據(jù)權(quán)利要求32的纖維結(jié)構(gòu)，其中在所說的第一組纖維層內(nèi)于每個(gè)纖維層內(nèi)產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維束的數(shù)量是恒定的，所說的單位面積面與在該單位面積內(nèi)的所說Z-纖維束垂直。
36.根據(jù)權(quán)利要求32的纖維結(jié)構(gòu)，其中在所說的第一組纖維層內(nèi)于每個(gè)纖維層內(nèi)產(chǎn)生的單位面積上Z-纖維束的數(shù)量是變化的，所說的單位面積面與在該單位面積內(nèi)的所說Z-纖維束垂直。
37.根據(jù)權(quán)利要求32的纖維結(jié)構(gòu)，其中所說的疊置的纖維層集包括具有一個(gè)第二下纖維層及一個(gè)第二上纖維層的第二組纖維層，在所說的第二組纖維層內(nèi)的每個(gè)纖維層都具有產(chǎn)生于該纖維層內(nèi)的一部分所述的Z-纖維束集并且它們穿進(jìn)下面相鄰的纖維層，但不穿過所有所說的下面直接相鄰的纖維層，所述的纖維束部分穿入從所述的第二下纖維層到所說的第二上纖維層增加數(shù)量的纖維層中。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的纖維結(jié)構(gòu)，其中至少部分地由于所說的纖維層數(shù)從所說的第二下纖維層到所說的第二上纖維層在減少，在所說的第二組纖維層中的每一個(gè)纖維層都具有一定數(shù)目的Z-纖維束穿進(jìn)該纖維層。
39.根據(jù)權(quán)利要求37的纖維結(jié)構(gòu)，其中所說的第二組纖維層放置在所說的第一組纖維層下面。
40.根據(jù)權(quán)利要求37的纖維結(jié)構(gòu)，其中所說的第一組纖維層放置在所說的第二組纖維層下面。
41.根據(jù)權(quán)利要求37的纖維結(jié)構(gòu)，其中所說的第二組纖維層放置在所說的第一組纖維層的下面，以及在所說的纖維層集內(nèi)的每個(gè)纖維層都具有穿進(jìn)該纖維層的一定數(shù)目的Z-纖維束，所說的一定數(shù)目的Z-纖維束具有在所說的外纖維層內(nèi)最多以及在所說的中間纖維層內(nèi)某個(gè)位置上最少的分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及用針刺法形成纖維結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域，本發(fā)明提供一種針刺方法，用一系列針刺，通過控制在形成纖維結(jié)構(gòu)期間的轉(zhuǎn)移深度，在纖維結(jié)構(gòu)中獲得所需要的Z-纖維分布。每個(gè)針刺都產(chǎn)生穿進(jìn)相鄰纖維層的部分Z-纖維束，Z-纖維束只穿進(jìn)那些需要更多纖維束的相鄰纖維層，以便在每個(gè)纖維層內(nèi)獲得預(yù)定數(shù)量的Z-纖維束。
文檔編號(hào)F16D69/02GK1152044SQ9612167
公開日1997年6月18日 申請(qǐng)日期1996年10月4日 優(yōu)先權(quán)日1995年10月4日
發(fā)明者P·W·施翰, R·S·H·利 申請(qǐng)人:B·F·谷德里奇公司