具有貫穿固定數目層的z-纖維的層狀纖維結構的製作方法

2023-04-27 14:05:11

專利名稱：具有貫穿固定數目層的z-纖維的層狀纖維結構的製作方法
技術領域：
本發明涉及形成纖維結構的領域。更具體地說，本發明涉及用在毗鄰的纖維層之間穿過的Z-纖維束連接許多纖維層。
多年來已經知道形成用於複合材料結構中的纖維料坯結構的針刺法。C arlson等人的美國專利3772115號介紹一種可同時或在一系列針刺步驟中將若干纖維層針刺在一起的方法。Carlson等人的針刺法包括將許多刺針反覆插入到多層的纖維層中。刺針使各層中的纖維移位、引起各層附著而成為相連接的結構。如果最後的結構太厚以致針不能一次穿透所有的層的話，可以通過在一系列的針刺步驟中添加層的辦法而逐漸形成所說的結構。纖維層包含碳纖維或石墨纖維，或它們的前身。按照該方法形成的纖維料坯結構可以通過將碳基質沉積在纖維料坯結構中使纖維結合在一起從而進一步被加工成為碳/碳複合材料。C arlson等人的方法可被用於形成包括碳/碳剎車片的各種複合結構。
在1979年8月1日出版的英國專利說明書1549687號中公開了一種類似的方法。該文獻還公開一種形成碳/碳複合材料的方法。纖維層可以由在一系列針刺步驟中被針刺在一起的氧化的聚丙烯腈布組成。在一實施例中，該方法被用於形成碳剎車片。
更近代的方法被公開在Pierre Olry的美國專利4790052號中。目的是生產具有高度均勻性的纖維料坯結構。這主要是通過在整個物件厚度上以「均勻密度」的針刺將重疊層針刺在一起而實現的。貫穿的初始深度是根據被針穿透的層數，例如約20層來確定的。Olry等人的方法企圖通過在每次添加新層時降低纖維結構使之離刺針有一段相當於一被刺層厚度的間距，從而在整個的纖維結構形成期間能保持此深度不變。
Lawton等人的美國專利4955123號(頒布日1990年9月11日)和PCT出版物WO92/04492(
公開日1992年3月19日)公開一種通過一起針刺環狀物扇形區而形成剎車片的方法。在每一次添加新層前纖維結構被降低一針刺層的厚度。Smith等人的美國專利5338320號(頒布日為1995年2月14日，系美國專利4955123號的部分繼續)公開一種方法，其中在針刺過程中料坯的外層是用人造纖維「濃化的」。在Smith等人的方法中對外層進行濃化明顯地增加了外層的機械強度並且提高了製成品剎車盤的耐磨耗性。
在此纖維料坯工藝中，通過針刺法產生的移位纖維被稱為「Z-纖維」，因為它們通常與包含纖維料坯結構的各層相垂直。在整個剎車盤中的Z-纖維分布在飛機的減速或制動時對盤的耐磨壽命和操作性能具有意義深遠的作用。
因此，具有預定的Z-纖維分布的纖維結構和形成具有預定Z-纖維分布的纖維結構的方法是符合需要的。
根據本發明的一個方面，提供了一種纖維結構，包含多重疊加的纖維層，該多重疊加的纖維層包括上組纖維層和與上組纖維層相毗鄰的下組纖維層；和，連接所說的多重疊加的纖維層的多重Z-纖維束，在上組纖維層中的每一纖維層具有源於該纖維層的部分多重Z-纖維束，此部分多重Z-纖維束穿過處於該纖維層之下的若干纖維層而不穿過處於該纖維層之下的所有的纖維層，在第一部分中纖維層數目是不變的，而在下組纖維層中的每一纖維層具有源於該纖維層的部分多重Z-纖維束，此部分多重Z-纖維穿過處於該纖維層之下的所有的纖維層。
根據本發明的另一方面，提供一種形成纖維結構的方法，該方法包括以下步驟在一系列針刺過程中形成連接多重疊加纖維層的多重Z-纖維束，多重纖維層包括一組上纖維層和一組與上組纖維層相毗鄰的下纖維層，在上組纖維層中的每一纖維層具有源於該纖維層的部分多重Z-纖維束，此部分多重Z-纖維束穿過處於該纖維層之下的若干纖維層而不穿過處於該纖維層之下的所有的纖維層，從下纖維層到上纖維層纖維層數目是不變的，並且下組纖維層中的每一纖維層具有源於該纖維層並穿過處於該纖維層之下的所有的纖維層的部分多重Z-纖維束。


圖1為適用於本發明的針刺設備的一般性的示意布置圖。
圖2為使用圖1設備的針刺法的詳圖。
圖3為圖2針刺過程中產生的Z-纖維束的詳圖。
圖4A描述測定最小纖維轉移距離方法的第一部分。
圖4B描述測定最小纖維轉移距離方法的第二部分。
圖5A描述根據本發明的一個方面在一系列針刺過程中的第一遍針刺。
圖5B描述根據本發明的一個方面在一系列針刺過程中的第二遍針刺。
圖5C描述根據本發明的一個方面在一系列針刺過程中的第三遍針刺。
圖5D描述根據本發明的一個方面在一系列針刺過程中的第四遍針刺。
圖6為圖5A-5D針刺過程中測定的表面位置與針刺遍數的關係曲線圖。
圖7A描述根據本發明的一個方面在一系列針刺過程中的第一遍針刺。
圖7B描述根據本發明的一個方面在一系列針刺過程中的第二遍針刺。
圖7C描述根據本發明的一個方面在一系列針刺過程中的第三遍針刺。
圖7D描述根據本發明的一個方面在一系列針刺過程中的第四遍針刺。
圖8為圖7A-7D針刺過程中測定的表面位置與針刺遍數的關係曲線圖。
圖9為根據本發明的一個方面的顯示構成纖維料坯結構的各層的後一針刺的平均層厚與層數關係的壓縮曲線圖。
圖10為根據本發明的一個方面的顯示氣流法纖維網的層厚與針刺遍數關係的壓縮曲線圖。
圖11描述根據本發明的一個方面的用於定出永久纖維轉移量和確定每一層中永久轉移累積量的對角矩陣，和每單位面積的Z-纖維束的數目。
圖12顯示某些變數與針刺過程幾何條件的關係。
圖13描述根據本發明的一個方面的用於定出永久纖維轉移量和控制每一層中永久轉移累積量的對角矩陣和每單位面積的Z-纖維束的數目。
圖14A為用於確定圖13的第2遍針刺的所需纖維轉移深度的表。
圖14B說明用於確定圖13的第3遍針刺的所需纖維轉移深度的表。
圖14C說明用於確定圖13的第4遍針刺的所需纖維轉移深度的表。
圖15為根據本發明的一個方面的具有預定的Z-纖維分布的纖維結構的剖面圖。
圖16顯示一般通過針刺法產生的Z-纖維束。
圖17為根據本發明的一個方面的由類似於圖15的纖維結構形成的環形剎車盤的剖面圖。
圖18為根據本發明的一個方面的具有預定的Z-纖維分布的纖維結構的剖面圖。
圖19為根據本發明的一個方面的具有預定的Z-纖維分布的纖維結構的剖面圖。
本發明涉及一種形成纖維料坯結構的方法。本發明的纖維料坯結構適合於後續的加工，在後續的加工過程中粘結基料被沉積在該料坯結構中，由此形成複合結構。本發明特別適合於形成適於隨後加工成碳/碳結構例如飛機剎車盤的纖維料坯結構。後續加工通常包括熱解該料坯結構(如果它是由前體材料形成的話)，以及沉積粘結碳基料。在料坯結構中沉積碳基料可以按照已知的技術例如碳蒸汽透入法和碳蒸汽沉積法(CVI/CVD)來實現，或者通過用含碳的瀝青或樹脂(它們隨後被炭化)反覆浸漬基材來實現，或者通過任何的相當方法來實現。本發明的目的不是為了形成粘合基料也不是為了使纖維料坯結構緻密，因為它們是現有技術中已知的。儘管本發明涉及碳/碳複合材料，但是很清楚本發明能同樣有效地用於形成適於在後續的加工中成為陶瓷複合結構和碳/陶瓷複合結構的纖維料坯結構。
本發明的各種情況如下面的圖1至13中所述，其中相同編號的各部分是等同物。現特別參考圖1，圖1中的針刺設備8為示意圖。設備8適用於通過由至少為兩層的纖維層開始然後在一系列的針刺過程中向其添加另外的纖維層而將若干纖維層連接在一起而形成纖維料坯結構，圖1中所示的設備8僅為一般性的布置，因為這樣的裝置是現有技術中所熟知的。適用於本發明的設備的例子被描述於Olry美國專利4790052號(在下文中稱為』052號專利)、Lawton等人的美國專利4955123號(在下文中稱為』123號專利)和Morris，Jr.等人的美國專利5217770號(在下文中稱為』770號專利)中。圖1被用來僅僅顯示任何這樣設備的針刺區。於是本發明適用於如』052號專利中所介紹的形成片材或「板」的設備，或者如』123號和』770號專利中所介紹的形成環狀物的設備。生產的任何不同形狀的纖維坯料結構均被認為處於本發明的權利要求範圍之內。
仍參考圖1，以纖維料坯結構20來顯示在設備8中形成的方式。將纖維結構20放置在裝在針板16中的多重成氈針14底下的支承板或床板12上。支承板12是可被針14貫穿的，並且可以由可貫穿的材料例如泡沫塑料或刷鬃形成，或者是可以由帶有與針14對齊以使針能貫穿的小孔的不能貫穿的材料例如金屬或塑料形成。纖維結構20是由帶有界定暴露表面44的頂層的若干纖維層組成的。然後纖維結構受到針刺，其中隨著纖維結構20以箭頭34方向被通入到成氈針針底下時，多重成氈針14被反覆地穿過暴露表面44迫入到纖維結構20中。當在被此處使用時，術語「纖維結構」是指在給定的針刺期間被置於成氈針14下面的支承板12上的所有的纖維層。在一次或更多次的針刺時另外的層可被添加到纖維結構，但是在每一次的針刺時並非必須都添加一纖維層。
成氈針14以如本技術領域中已知的序列排列。若干行可以彼此平行排列以致就每一遍針刺來說纖維結構的整個寬度可受到針刺。成氈針14的序列限定了針刺區32。
成氈針14由驅動針板16的驅動機構18驅動通過固定的行程往復運動。多重的成氈針通過這樣的運動轉移纖維結構20的各層中的纖維，產生在各層間穿過的、通常與層界面相垂直的「Z-纖維」束。另外的層被置於先前的各層之上並且受到另一遍的針刺而將另外的層連接到先前的各層上。直至達到最終的希望的厚度之前另外的層一直被添加。然後纖維結構20可以在不添加另外層的情況下經受進一步的針刺。成品的纖維料坯結構20可以在後續的操作中以如先前所說的已知方式被再加工。
支承板調整機構22以本技術領域公知的方式調整支承板相對於多重成氈針14的位置。此處，所說的支承板調整機構包括螺旋千斤頂24和馬達/齒輪箱26。控制器28通過控制線30控制支承板調整機構22，以便必要時保持支承板12相對於多重成氈針14的精確位置。支承板12是以箭頭34方向被驅動以致多重成氈針可沿纖維結構20的長度被反覆地迫入到暴露表面44。支承板隨後可以以箭頭36方向被驅動，由此在相對方向針刺纖維料坯結構，如』052號專利中所述。如果如在』123或』770號專利中所述那樣形成環形物的話，支承板通常只以一個方向被驅動。還有，隨著針被迫入到纖維結構20的同時，支承板12可以被連續地驅動，或者是支承板可與驅動機構18同步以致當針14被迫入到纖維結構20時支承板12能瞬息間停止。任何這樣的改變均被認為是處於本發明的權利要求範圍之內的。還有，設備8的各種組件可以在不違背本發明精神的前提下以種種顯而易見的方式排列。例如，如果特殊的應用需要這樣的排列的話，設備8可被旋轉到側面或者甚至被倒置。
根據本發明的一個方面的方法被描述於圖2中，其中纖維結構20包含至少為兩層的纖維層40a-40i，纖維結構20被放置在多重成氈針14底下的支承板12上。如圖2所示，纖維結構20可以包含多重的疊加層，並且層垛可以達到如此之厚以致成氈針14不能完全穿透纖維結構。頂纖維層40a被置於下面的各毗鄰層40b、40c、40d、40e、40f、40g、40h和40i之上，頂層40a界定暴露表面44。在此例中，頂層40a直至它受到一遍針刺之前未與層40b相連接，其中纖維層40a-40i被通入到多重成氈針14之下，而同時將多重成氈針14穿過暴露表面44反覆地迫入到纖維結構，如部分剖面圖中所示，迫入的深度足以將層40a的纖維永久地轉移到下面的毗鄰層40b。針刺過程通過將頂層40a的纖維永久地轉移到層40b以及其他的下毗鄰層而將頂層40a連接到層40b。
根據本發明的一個方面，來自選定的層組46的纖維在每遍針刺中被永久地轉移。所說的層組從某遍針刺至下一遍針刺可以變化。選擇層組是屬於根據希望的最終料坯性能的料坯設計問題，並且不是本發明的一部分。在實施本發明時，層組至少包括頂層40a。層組優選包括頂層40a和至少一個毗鄰層40b。在圖2所示的例子中，組46包括層40a、40b和40c。在許多應用情況下層組可以包括多於三層的層。
現參考圖3，顯示由單根成氈針14產生的Z-纖維束66，束66穿過頂層40a延伸並且向下穿過纖維結構而進入到層40b-40g。為了清楚起見，成氈針14被示於纖維結構的一側。此處，成氈針14具有針尖74並且包括最接近針尖74的第一倒鉤68、與第一倒鉤68具有間距而離針尖74更遠的第二倒鉤70，與第二倒鉤70有間距而離針尖74更遠的第三倒鉤72。另外的倒鉤組可以沿成氈針14相隔排列，如圖中所示。在此例中，當成氈針14被迫入到層40a-40f中時，倒鉤68、70和72咬住這些層中的纖維並將它們轉移。
通常被用作碳前體材料的纖維是具有彈性而能回縮到它們原來的層(除非被轉移至少一個最小距離)的聚丙烯腈纖維(PAN)和氧化聚丙烯腈纖維(OPF)。當纖維層是由長或連續的單絲製成時，不可能達到永久性纖維轉移，除非將纖維轉移到足夠遠而引起纖維斷裂。溫度和溼度可能具有影響。此處所用的術語「永久性纖維轉移」意指在給定的針刺操作期間成氈針14從某一層中將纖維轉移到至少一個毗鄰層中，在成氈針14從纖維結構20中抽出後被轉移的纖維仍保持被轉移狀態。通過增加甚至小到0.5mm的纖維轉移深度能夠使非永久性纖維轉移變為永久性纖維轉移。這是令人驚奇的發現。於是，在針刺期間多重的成氈針14一起將層組中的纖維束咬住並將其轉移，如果組成纖維層的纖維是易於縮回到其原來層中的話，則低於100％纖維束被永久轉移。
纖維長度、纖維捲曲、纖維表面光潔度也能影響永久性纖維轉移。短纖維，或捲曲纖維或具有粗糙或鱗片狀表面的纖維(類似於羊毛)不易於回縮到它們的原來的層。由具有一種或多種這些特徵的纖維組成的纖維層之最小距離可以遠小於由相同組分的平滑、未捲曲、連續纖維組成的纖維層之最小距離。在此情況下，最小距離可以至少具有一小的閾值，因為纖維必須至少被轉移某段距離才能連接纖維層。就具有這些特徵的纖維來說，基本上為100％的被多重成氈針14咬住的纖維束能被永久性轉移，因為組成纖維層的纖維具有不易回縮到其原來層的傾向。
因此，根據本發明的一個方面，以頂層40a為起點所確定的希望的纖維轉移深度48是指在沒有從此選定的層組46更多的層中永久性轉移大量纖維的情況下足以從選定的層組46中實現永久性纖維轉移的深度。如果纖維層具有彈性的話，只有轉移深度超過最小距離50時才能實現永久性纖維轉移。
例如，纖維從層40a被轉移到大於最小距離50的深度52，這意味來自層40a的被轉移的纖維是永久性轉移纖維。同樣，來自層40b和40c的纖維分別被轉移到深度54和56，此兩個深度均大於最小距離50，這意味從層40b和40c中轉移的纖維是被永久性轉移的。來自層40d、40e、40f和40g的纖維分別被轉移到深度58、60、62和64，這些深度均小於最小距離50，這意味從層40d至40g中轉移的纖維未被永久性轉移。從這些層中轉移的纖維將回縮到這些層。因此，在沒有從比層組46更多的層中永久性轉移大量纖維的情況下層組46的纖維被永久性轉移。
一種確定最小距離50的優選方法被示於圖4A和4B中。參考圖4A，第一個纖維層76被疊置在第二纖維層78上而第一纖維層76界定暴露表面80。第二纖維層78被放置在支承板12上。第一纖維層76基本上類似於圖3的頂層40a，而第二纖維層78基本上類似於圖3的層40b。現仍參考圖4A，通過反覆地將多重成氈針迫入暴露表面80穿過第一層76和進入到第二層78而將纖維從第一層76轉移到第二層78中，迫入多重成氈針的方式基本上類似於圖1-3中所示的用於形成纖維料坯結構的針刺方法，使用的成氈針14基本上與針刺法中使用的成氈針相類似。為了清楚起見圖中僅顯示一根針和一個倒鉤。支承板12被小孔15所貫穿，小孔15與針14相對齊，以致使針14能貫穿到支承板12中，如圖中所示。當針以纖維轉移深度82開始被迫入到纖維層時同時將纖維層76和78以箭頭90方向通入到成氈針14底下。如圖中所示，產生Z-纖維束84，但是由於纖維沒有從頂層76轉移足夠長的距離而回縮到頂層。在局部剖視圖中顯示部分回縮的Z-纖維束。現參考圖4B，直到第一層正好開始粘著到第二層78(在此點纖維轉移深度86相當於最小距離50)之前增加纖維轉移深度(通過將支承板12向多重成氈針14移動而實現的)。第一層76開始粘著到第二層78，因為此時的轉移深度86已足以將頂層76的纖維達到永久性轉移，由此產生將兩層接合在一起的永久性纖維束88。
最小距離50還可以通過將纖維層76疊置於多重的已被針刺的層(纖維結構或「板」)上，然後進行逐漸增加針貫穿深度直至層76被粘著為止來確定。此方法能更精確地定量出最小距離50，因為僅在形成纖維料坯結構方法的開始時纖維結構包含兩層(如圖4中所示)。就僅兩層來說，Z-纖維束在底層之下延伸進入到支承板。在該方法的大部分時期中，頂層被疊置於先前連接的纖維結構上並且受到一遍針刺(如圖2中所示)，而Z-纖維束被完全封入在纖維結構中(如圖3中所示)。然而，現已發現，根據圖4方法定量出最小距離是非常適於本發明的實踐的。
根據優選的實施方案，每一纖維層40包含三層OPF纖維的單向次層，它們一起被輕度針刺而成為一互相密合的層，而每一次層的纖維方向相對於毗鄰的次層旋轉60°，如在』052號專利的實施例1中所述。每一層的方向方位是通過在針刺操作前將第一單向纖維網交向搭接在第二縱向纖維網上而建立的。纖維網優選是由OPF纖維的絲束組成的，每束絲束是由320000根長絲組成。適用於本發明實踐中的OPF絲束可從RK Carbon Fibres Limited of Muir of Ord，Scotland，以及Zoltek Corporation of St.Louies，Missouri，U.S.A.購得。未氧化的PAN纖維(「原絲束」)可從Courtaulds Advanced Materials of GreatCoats Grimsby，South Humberside，England購得。根據圖4方法對兩層OPF交相搭接層使用從G roz-Beckert of Germany得到的產品目錄號為15×18×36×3.5C333G1002的成氈針確定的最小距離約為6.5-7.0毫米。兩層在貫穿深度約為6.5mm時開始粘著而在約7.0mm時完全粘著。此例中的OPF纖維為稍有捲曲至沒有捲曲並具有非常平滑的表面。加工中的最小距離取決各纖維層的性質和特性以及在形成纖維料坯結構中所用的具體針刺方法。最小距離是根據經驗確定的。
轉移深度必須具有一定程度的可靠性以便確定永久性纖維轉移量。如圖3中所示，纖維轉移深度是以頂層40a為起點確定的。再次參考圖2，纖維轉移深度最好是以針刺過程期間針14底下的暴露表面44的估計的表面位置92為起點來確定。在每遍針刺期間暴露表面44離開針，至少其部分原因是隨著纖維結構通過針刺區32，頂層40a被壓縮。根據優選的實施方案，每遍針刺的估計的表面位置92是通過測定暴露表面44的針刺前的表面位置94、測定暴露表面44的針刺後的表面位置96以及通過針刺前的表面位置94與針刺後的表面位置96的平均確定針刺期間估計的的表面位置92來測定的。
針刺前的表面位置94能被主動測定，如圖1中所示，通過具有表面跟蹤裝置100的第一傳感器98顯示纖維料坯結構在成氈針14底下受到針刺之前的暴露表面44的位置。針刺後的表面位置能通過具有表面跟蹤裝置104的第二傳感器102顯示纖維料坯結構在成氈針14底下受到針刺之後的暴露表面44的位置被主動測定。由第一傳感器98和第二傳感器102提供的表面位置數據通過傳感器線路106和108被傳遞到控制器28。然後控制器28對信號進行加工處理並確定在過程中每一點處的估計的表面位置。
針刺前的表面位置94和針刺後的表面位置96，以及由它們得到的估計的表面位置92，還可以通過以基本相似的方法預先形成基本相似的纖維料坯結構，以及測定在形成基本相似的纖維料坯結構期間的針刺前表面位置94和針刺後表面位置96來測定。就這方面來說將參考圖6和8進行更詳細的討論。
現參考圖5A-5D，在這些圖中所示的是根據本發明的一個方面通過由兩纖維層108和110開始向其添加另外的纖維層112、114和116而將這些層連接在一起形成纖維料坯結構的方法。如圖5A中所示，此針刺方法是以被放置於多重成氈針14下面的支承板12上的兩層108和110開始的。層108、110、112、114和116中的每一層包含三層OPF纖維的單向次層，三層次層一起被輕度針刺而成為一互相密合的層，如先前所述。支承板12是由帶貫穿的小孔的金屬板形成的，針14可貫穿到小孔中。圖5A-5D所示的針14處於它們行程的最下位置。
在圖5A中，隨著支承板12以箭頭118方向被驅動的同時，在第一遍針刺中纖維從層110、穿過層108、進入到支承板12而被永久性轉移。多孔支承板例如支承板12並沒有卡住被轉移纖維而且層108與110基本上未被該針刺操作壓縮。於是，針刺前的表面位置94和針刺後的表面位置96是大致相同的。這是令人驚奇的發現。
在圖5B中，隨著支承板以箭頭120方向被驅動的同時，在第二遍針刺中另外的纖維層112被添加並被針刺到層108和110。在此點時，層108和110開始被壓縮而且針刺前的表面位置94高於針刺後的表面位置96，產生估計的表面位置92。在圖5C中，隨著支承板以箭頭122方向被驅動的同時，在第三遍針刺中另外的纖維層114被添加並被針刺到層108、110和112。層114被壓縮而層108、110和112再被壓縮一些。在圖5D中，隨著支承板以箭頭124方向被驅動的同時，在第四遍針刺中添加另外的纖維層116並將其針刺到層108、110、112和114。頂層116被壓實而層108、110、112和114遭受進一步的壓縮。於是，在該針刺操作期間針穿過其中的暴露表面離開針，這至少部分是由於頂層被壓縮之故，以及至少部分是由於頂層底下的層垛被壓縮之故。在某些針刺過程中，支承板的驅動方向在從前遍針刺到後遍針刺是交替變化的。任何這樣的改變均被認為屬於本發明的權利要求範圍之內。
代表圖5A-5D過程的表面位置與針刺遍數的關係之例子被示於圖6中。第一遍針刺代表圖5A，此時兩層被置於成氈針之下，而針刺前的表面位置幾乎與針刺後的表面位置相同。在開始第二遍針刺的每遍針刺之前添加一另外的層。第二遍針刺代表圖5B，此時三層被置於成氈針之下。如圖6中所示，這些層開始被壓縮。在第三和四遍針刺中添加另外的層，它們相當於圖5C和5D。在第五和第六遍針刺中添加兩層的數據也被示出。被顯示的每次針刺步驟中的估計的表面位置基本上是每遍針刺的針刺前表面位置與針刺後表面位置的平均值。還對每一遍針刺的壓縮係數F進行描述。壓縮係數代表任何特定針刺遍數中與針刺後厚度的偏移並確定相對於針刺後表面位置的估計的表面位置。於是，頂層和以下各層中壓縮補償顯示在壓縮係數中。根據優選的實施方案，特定針刺遍數的壓縮係數是通過從纖維結構的針刺前厚度減去纖維結構的針刺後厚度和被2除來計算。壓縮係數可用於在整個的纖維料坯結構的厚度中表徵或控制Z-纖維分布的方法中。在圖11和等式7與8中將更充分地對本發明的這一方面進行討論。
另外的也代表本發明的一個方面的方法被示於圖7A-7D中。處於其最下行程點的多重成氈針14被示於圖7A-7D中。在圖7A中，層128被置於多重成氈針14下面的支承板12上。支承板12由金屬形成並用小孔貫穿，針14可以貫穿小孔。另外的層130被置於層128上。層130包含三層OPF纖維的單向次層，三層被針刺成一相互密合的層，如先前所述。層128為如Morris等人的歐洲專利申請0530741A1中所述的800g/m2預先用針衝孔的氣流成網的OPF纖維網。在圖7A的第一遍針刺之前，層128的厚度約為8-13毫米和層130的厚度約為3毫米。於是，層128的針刺前厚度遠大於層130的針刺前厚度。隨著支承板12以箭頭138方向被驅動的同時在第一遍針刺中層130被針刺到層128。
現仍參考圖7A，在第一遍針刺期間層128和130被大量地壓縮(這與圖5A的層108和110大不相同)，從針刺前的表面位置94到針刺後的表面位置96產生很大的變化。在第一遍針刺期間層128的壓縮是由於若干因素造成的。層128是由具有平均長度按ASTMD1440測定為25毫米或以下的短纖維形成的，當受到針刺時它不顯示很大的彈性。換句話說，在層128中被成氈針14轉移的任何纖維均為永久性轉移，因為這些纖維是短的並且不易回縮到它們的開始位置。層128還厚到足以完全在該層之中開始和完成永久性纖維轉移。還有，層128厚到足以咬住從層130轉移的纖維。最後，層128是易被壓縮的，因為它是厚的並且纖維體積較低(單位體積的纖維數)，並且在此之前未受到大量的針刺。
在圖7B中添加另外的層132，在隨著支承板12以箭頭140方向被驅動的同時，在第二遍針刺期間層132被壓縮。層128和130進一步被壓縮，以致對這些層組合的壓縮造成從針刺前的表面位置94到針刺後的表面位置96的變化和形成估計的表面位置92。如在圖7C和7D中所示，當支承板12分別以箭頭142和144被驅動而進行第三和第四遍針刺時添加和針刺另外的層134和136。此兩遍針刺引起對先前的被針刺層的進一步壓縮。再一次，在該針刺操作期間針穿過其中的暴露表面離開針，這至少部分是由於頂層被壓縮之故，以及至少部分是由於頂層底下的層垛被壓縮之故。
代表圖7A-7D方法的表面位置與針刺遍數關係曲線被示於圖8中。第一遍針刺代表圖7A，此時兩層被置於成氈針下面。如圖8中所示，第一遍針刺引起從針刺前表面位置到針刺後表面位置的相當大的變化。在從第二遍針刺開始的每遍針刺之前添加另外的層。第二遍針刺代表圖7B，此時三層被置於成氈針下面。如圖8中所示，從針刺前表面位置到針刺後表面位置的變化少於先前的針刺步驟。在相當於圖7C和7D的第三遍和第四遍針刺中添加另外的層。還示出在第五到第十遍針刺步驟中添加六層的數據。對每次針刺步驟的估計的表面位置進行描述，所說的估計的表面位置基本上為每次針刺遍的針刺前表面位置和針刺後表面位置的平均值。壓縮係數F也被描述。應該注意的是圖8的壓縮係數具有大大不同於圖6的壓縮係數的趨向。
試驗已顯示，如圖6和8中描述的估計的表面位置與針刺步驟及壓縮係數的關係曲線從一種纖維料坯結構到另一種纖維料坯結構基本上是不變的，條件是這些纖維料坯結構是基本相似的以及它們是以基本上類似的方法形成的。因此，每遍針刺的估計表面位置與壓縮係數可從先前建立的關係推斷出。在這樣的情況下，這種關係是通過以基本上類似方法預先形成基本上類似的纖維料坯結構和在形成基本上類似的纖維料坯結構期間確定估計的表面位置而建立的。圖6和8表示的這樣預先建立的關係能被隨後用於生產其他的基本上類似的纖維料坯結構中。
壓縮係數的變化可由不同的原因產生。圖5和6涉及在第一遍針刺期間頭兩纖維層基本上未被壓縮的情況。這兩層的壓縮出現在隨後的針刺步驟中。圖7和8涉及起始層中的一層是比較厚並且在第一遍針刺期間被壓縮，但在隨後的各針刺步驟期間繼續壓縮的情況。本發明方法的適應性強至足以能應用於這兩種情況，並且本發明的應用並不限於這些例子。可以不同方式發生壓縮，這取決於纖維層的特性和具體的針刺過程和機械，而且可以根據本公開物提供的原理來解釋。此外，圖5至8是從在上述的不會卡住轉移纖維的多孔床板上形成的纖維料坯結構得到的。由泡沫塑料或直立的刷鬃形成的支承板能更有效地卡住轉移纖維。然而，根據本公開物提供的原理仍能發生和應用某些壓縮作用。任何這樣的變型均被認為屬於本發明的權利要求範圍之內的。
根據本發明的另一個方面，來自層組中的每層中的永久性纖維轉移可以被量化。然而，在本發明的實踐中確定來自每層的轉移纖維準確量是沒有必要的。「準確量」意指對每一層來說確定從該層被永久性轉移的纖維的確實量，或者是意指從該層被轉移的纖維數，或者是意指類似的定量。根據本發明提供一種在纖維料坯結構的每一層或者在過程的每一步產生轉移效率和所得Z-纖維的相對比較的技術。這顯示非常大的好處，因為在一個具體的倒鉤中當它穿過層時要示蹤和識別是否裝載或未裝載纖維，在當前是非常困難的。例如，就此處為了介紹本發明而討論的纖維層和針刺方法來說，在一給定針上的倒鉤在貫穿暴露表面後幾乎馬上完全變成裝滿纖維。當倒鉤貫穿到下面的各層時由於纖維斷裂倒鉤去載達到某一程度。當倒鉤在未攜帶纖維的狀況下穿入時它們就咬住更多的來自不管哪一層的纖維。因此大部分以圖3的Z-纖維束66形式的纖維均來自層40a，小部分來自40b和40c。識別來自特定層的Z-纖維束形式的纖維的準確量是需要的，但是在本發明的實踐中這並非是必須的，只要以某種方式對來自特定層的永久轉移的纖維進行定量即可。
根據本發明的一個方面，永久性纖維轉移是按以下方式來定量的。再次參考圖3，每個倒鉤當其穿過層組的一特定層時咬住一定量的來自該層的纖維。此量對在特定的成氈針上的每一倒鉤來說通常是不同的。每一成氈針14咬住並轉移一些來自層組中某一特定層的纖維，這些纖維是被穿透該層的每一倒鉤從該層中咬住量的總和。例如，某一優選的實施方案中，每遍針刺中的頂層包含被一起針刺成為一相互密合層的OPF纖維的三層交向搭接的單向的次層，如先前所述，而成氈針是從G roz-Beckert ofGermany購得的產品目錄號為15×18×36×3.5 C333G1002針。在此例中，在特定的一遍針刺中第一倒鉤68咬著70％量的來自某特定層的轉移量，第二倒鉤70咬住25％量的來自某特定層的轉移量，第三倒鉤72僅咬住5％量的來自某特定層的轉移量。基於最新的認識，由針製造商進行的一些試驗已經表明，成氈針上相離更遠的其他倒鉤在此過程中不能有效地咬住和轉移纖維。還有，在此過程中被特定的成氈針轉移的大部分纖維顯然來自頂層，因為每一倒鉤當被迫入到頂層時幾乎馬上掛滿了纖維。當倒鉤穿過纖維結構時倒鉤傾向於卸掉原掛上的纖維而從其他層中抓取新的纖維，如先前有關圖3所述。然而，對所有的針刺過程或所有類型的纖維層來說並不都是這種情況。纖維的轉移特性取決於纖維層、具體的針刺過程和機械的特性，並且對每一系統來說應根據實際經驗來確定。
從某特定層，例如頂層40a，被永久性轉移的纖維量是通過將每個在該層中至少以最小距離穿過的倒鉤所咬住的量相加在一起而估算出的。例如，倒鉤68穿過從頂層40a起的轉移距離52，轉移距離52大於從該層起的最小距離50。因此，被倒鉤68從層40a轉移的任何纖維均被永久性轉移。倒鉤70從頂層40a起的穿過距離是通過以下的等式計算的D12＝D11-d1等式(1)其中D12為第二倒鉤70從層40a起的穿過距離，D11為第一倒鉤68從頂層40a穿過的距離(D11＝轉移深度52)，而d1為第一倒鉤68與第二倒鉤70之間的距離71。D12也大於從頂層40a起的最小距離50，如圖3中所示，這意味著被第二倒鉤70從層40a轉移的任何纖維都被永久性轉移。倒鉤72從頂層40a起的穿過距離是通過以下的等式計算的D13＝D11-d1-d2等式(2)其中D13為第三倒鉤72從層40a起的穿過距離，D11為第一倒鉤68從頂層40a起的穿過距離(D11＝轉移深度52)，d1為第一倒鉤與第二倒鉤70之間的距離71，而d2為第二倒鉤70與第三倒鉤72之間的距離73。D13大於從層40a起的最小距離50，這意味著被第三倒鉤72從層40a轉移的任何纖維都是被永久性轉移的。因此，被成氈針14從層40a咬住和轉移的纖維100％被永久性轉移，因為D11、D12和D13均大於最小距離50。這例是以先前所述的第一倒鉤為70％、第二倒鉤為25％和第三倒鉤為5％的部分的定量估計為根據的。
就層40b來說可以進行類似的計算，其中D21為轉移深度54，根據以下的等式D22＝D21-d1等式(3)D23＝D21-d1-d2等式(4)其中D21為倒鉤68從層40b起的穿過距離(D21＝轉移深度54)，D22為第二倒鉤70從層40b起的穿過距離，D23為第三倒鉤72從層40b起的穿過距離，d1為第一倒鉤與第二倒鉤70之間的距離71，d2為第二倒鉤70與第三倒鉤72之間的距離73。通過對此例的這些計算可以看出，所有的三個倒鉤的穿過距離均大於從層40b起的最小距離，這意味被成氈針從層40b中咬住和轉移的纖維100％被永久性轉移。等式1-4由以下的等式規定
其中N規定被第一倒鉤68貫穿的特定層(頂層40a的N＝1，層40b的N＝2，層40c的N＝3，……)，B指明轉移纖維的成氈針上的具體的倒鉤(沿著針向上第二倒鉤70的B＝2，第三倒鉤72的B＝3，等等)，DNB為具體的倒鉤從層N起的穿過距離，db-1為某個倒鉤(b-1)沿著針到下一個倒鉤(b)之間的距離。於是，可以對被第一倒鉤貫穿的許多層和對成氈針上咬住和轉移纖維的每個倒鉤進行計算。然而，沒有必要對更多的層組進行計算，因為更多層組中的纖維不是被永久性轉移的。等式(5)僅在B≥2的條件下才能使用，因為如果在針上僅有一個倒鉤的話就沒有必要測定另外倒鉤的轉移深度了。
使用D31為轉移深度56對層40c(n＝3)進行計算顯示，D31和D32均大於最小距離50，但是D33小於此最小距離。因此，被第三倒鉤72從層40c咬住的纖維未被永久性轉移，但是被第一倒鉤68和第二倒鉤70從層40c咬住的纖維被永久性轉移。只有95％的被成氈針從層40c咬住的纖維被永久性轉移(第一倒鉤的70％+第二倒鉤的25％)。被第三倒鉤72從層40c咬住的5％纖維未被永久性轉移。如先前所述，這些永久性纖維轉移的估計數取決於具體的成氈針、纖維層特性和針刺方法。百分比70％、25％和5％作為實例使用，但是本發明不能被限於正好這些量的範圍內。
重要的是必須說明，由此定量出的每層中的永久性纖維轉移並沒有定出每層中的永久性纖維轉移的準確量。在本文中永久性纖維轉移量是指在成氈針行程的最低點處被針從特定層中咬住而成為永久性轉移的纖維的百分比(或者任何相當的量例如比值)。完全可以預見的是，永久性纖維轉移量最終將以其他方式成為可定量的。例如，如果在測定每層的準確量的有效方法成為可獲得時，對每層來說使用準確量將是期望的。
現仍參考圖3，從層40a至40f的每一層的轉移深度54、56、58、60、62和64可從相對於頂層40a的轉移深度52推導出。根據一優選的實施方案，轉移深度52是相對於頂層40a的估計表面位置確定的，如先前所示。更具體地說，估計表面位置是針刺前表面位置與針刺後表面位置的平均值。然後測定置於成氈針下面的每層的針刺後厚度。特定層的轉移深度是通過從轉移深度52減去處於該層之上的每層厚度，從轉移深度52確定的。例如，從層40b起的轉移深度54是通過從轉移深度52減去層40a的厚度而確定的。因此，相對於層40c的轉移深度56是通過從轉移深度52減去層40a和40b的針刺後厚度而確定的。相對於任何特定層的轉移深度可以根據以下的等式由頂層40a起從轉移深度52來計算
其中N規定在被第一倒鉤68貫穿的頂層40a(N＝1)底下的特定層(第二層40b的N＝2，第三層40c的N＝3，第四層40d的N＝4，…)，DN1為從層N起的轉移深度，D11為從頂層40a起的轉移深度(轉移深度52)，而tn-1為處於層N之上的每層的厚度。對被第一倒鉤68貫穿的許多層(在圖3中為若干層)來說可以重複計算。然而，對多於層組(在圖3中的層40a-40c)的層無需進行計算，因為從多於層組的層中纖維未被永久性轉移。此等式是以第一倒鉤68相對於頂層40a的穿過距離為根據的。另外的倒鉤相對於每層的穿過距離可以根據等式1-5計算。
另一方面，從每層起第一倒鉤的轉移深度可如下計算
其中各變量與等式(6)中相同，F為該針刺步驟的壓縮係數。此等式相對於纖維料坯結構的暴露表面的針刺後位置由各次層計算轉移深度。等式(6)提供轉移深度的可以接受的估計數，但是等式(6a)更為準確，特別是對具有較大的壓縮係數的頂纖維層來說。如上所說的800g/m2氣流成網纖維網是具有較大壓縮係數的纖維層的例子。
如果各層是基本上相似的話，對每遍針刺來說，針刺後厚度可以作為在該針刺步驟中組成纖維結構的層組的平均厚度來計算。當如圖5A-5D中所示各層經受另外的多次針刺和添加另外的層時，層組的厚度可能會變化。當以兩層開始時，層數與平均層厚的關係被示於圖9中。圖9被稱為壓縮曲線。在每遍針刺前將一層添加到纖維料坯結構。如圖所示，當層數(和針刺遍數)增加時平均厚度就下降。這一趨勢是由以下事實引起的先前被針刺的構成纖維料坯結構的各層在隨後的多次針刺中繼續受到壓縮。這些層隨著添加另外的各層又被壓縮。
在過程每點處的組成纖維料坯結構的層的平均厚度可以從例如圖9中所示的曲線通過以基本上類似的方法預先形成基本上類似的纖維料坯結構和確定在形成此基本上類似的纖維料坯結構期間的平均厚度來確定。然後此資料可被用於形成隨著的各纖維料坯結構而不用主動確定在該過程期間的平均層厚。此方法使過程大為簡化。諸如圖9中所示的曲線可被編入到例如圖1的控制器28的程序中。
在本發明的實踐中寧可使用各別層的厚度而不使用平均層厚。就一系列的針刺操作(如圖7A-7D中所示)來說，層128的厚度是通過測量在每遍針刺後被切去的部分纖維結構來確定的，並且作為曲線I被示於圖10中，曲線I是以針刺前厚度(第一遍針刺前)開始的。曲線II代表當在過程的終點被針刺成具體的纖維結構時氣流法纖維網如層128的厚度。此處要說明的是氣流法纖維網視過程中層被施加的情況不同而更不同地壓縮。
如此圖10中所示，厚層例如層128的壓縮能在若干遍針刺中繼續進行。未能解釋此壓縮可在整個纖維料坯結構厚度中引起與期望的Z-纖維分布的顯著偏離。如果在纖維結構中各層的任何一層是與其他層非常不同的話就需要對各別的層進行表徵。再一次可在構成先前形成的纖維料坯結構期間確定如圖10那樣的曲線並在形成隨後形成的基本類似的纖維料坯結構期間使用此曲線。該曲線在從形成一種纖維料坯結構到下一個纖維料坯結構時應不會發生重大的變化，只要它們的方法基本上類似。
多於一遍的針刺操作可以從層組的特定層永久性轉移纖維。因此，由此可以確定纖維從特定層永久性轉移的累積量的工藝是需要的。根據本發明的一個方面，在特定的針刺操作期間隨著每一倒鉤穿過特定層，它就從層組的該特定層咬住一些纖維。在針刺操作期間從特定層被永久性轉移的纖維量是通過將每個以至少為從該層起的最小距離通過的倒鉤從該層中咬住的量相加來估計的，如先前所述。從特定層被永久性轉移的纖維的累積量是通過將來自每一從該層永久性轉移纖維的針刺步驟的量相加來估計的。從特定層被永久性轉移的纖維的累積量是使用如圖11中所述的表來方便地估計的。
在圖11中，沿表左側的垂直軸定出針刺遍數。每遍針刺時的纖維結構包含的層數被定在表頂的水平軸上。總數為32層被針刺在一起。在頭遍針刺時是以層1和2開始的。層1和32為800g/m2的氣流法纖維網而層2至31的每一層是由被一起針刺成為一互相密合層的三層交向搭接的OPF纖維的單向次層組成，在先前所示。在從第二遍針刺到第三十一遍的每遍針刺之前添加一層，接著是三個退出針刺步驟(walkoutneedling pass)WO1、WO2和WO3，在此期間纖維結構被降低並在不添加層的情況下被針刺。相對於第一遍針刺時的起始床板位置的床板位置在表右上的第一列中標為「δ」。每遍針刺的床板位置與前一遍針刺的床板位置的改變值被示於標題為「δi-δi-1」列中。如圖2中所示，多重成氈針14以固定的行程160被反覆迫入到被置於床板12上並以箭頭34移動的纖維結構中。床板12的垂直位置是這樣控制的，以致使床板移向多重成氈針增加纖維轉移深度和使床板離開多重成氈針以減少纖維轉移深度。
在每遍針刺後纖維結構的總厚度被示於題為「T」的列中。對每遍針刺來說確定層1(氣流法纖維網)的厚度並被示於標題為「Tair」列中，每遍針刺的層1(氣流法纖維網)厚度是通過測量切去部分每遍針刺的纖維坯料結構來確定的。它還可以從如先前在圖10中所述的先前建立的關係曲線來確定。對每遍針刺來說，針刺後的平均層厚Tave是通過在減去層1(氣流法纖維網)的厚度後將T用組成纖維結構的層數除而確定的。平均層厚Tave被示於標題為「Tave」列中。對每遍針刺來說第一倒鉤相對於頂層的轉移深度D11被示於標為「實際D11」的列中並且是根據以下的等式計算的D11＝P0-c+T+F-δ等式(7)式中D11為第一倒鉤相對於頂層的轉移深度；δ為相對於起始床板位置的床板位置(正δ表示離開成氈針移動)，P0為當δ＝0時的起始的針貫穿深度，T為每遍針刺後總的纖維結構厚度，c為成氈針的第一倒鉤與針尖之間的距離，而F為壓縮係數，在圖11中，所有的線尺寸均以毫米表示。現參考圖12，P0被定義在第一遍針刺時當δ＝0時的針尖與床板頂之間的距離。當針尖低於支承板時P0為正，如圖12中所示，而當針尖高於支承板時P0為負。在圖12中還顯示針尖與第一倒鉤之間的距離c，纖維結構的總針刺後厚度T。
每遍針刺的壓縮係數F由圖8確定。於是，對特定的針刺遍來說，針刺後表面位置是由床板位置δ和針刺後厚度T確定，而針刺期間的估計表面位置是通過將壓縮係數F加到該位置來確定的。
就此針刺方法而言，達到纖維永久性轉移的最小距離如根據有關圖4中所述方法測定為約7mm。因此，所有的三個倒鉤必須從特定層的上界面起至少通過7mm以便被所有的三個倒鉤從該層中咬住和轉移的纖維永久性轉移。就本方法中使用的成氈針來說，第一倒鉤與第二倒鉤相距1.06mm，第三倒鉤與第二倒鉤相距為1.06mm。因此，第一倒鉤必須穿過特定層上表面至少9.12mm(7mm+1.06mm+1.06mm)以便實現永久性轉移100％的被成氈針的三個倒鉤從特定層咬住的纖維。在圖11中，如前所述，假定第一倒鉤轉移70％的纖維、第二倒鉤轉移25％的纖維、第三倒鉤轉移5％的纖維。此時，等式1-6可被用來計算特定的針刺遍從每層中永久性纖維轉移的量。然而，可以使用下表通過將注意力集中於第一倒鉤相對於每一層的轉移深度上而減少計算次數表1從特定層n中永久性轉移第一倒鉤的轉移深度，％ mm100 Dn1≥9.12959.12＞Dn1≥8.06708.06＞Dn1≥7.00257.00＞Dn1≥6.500 Dn1＜6.50其中每一層的Dn1是根據等式6計算的。表1省去了必須計算每個各別針倒鉤的轉移深度。在等式6中，如果層n為一交相搭接層的話在一特定針刺遍時平均層厚Tave被用作該針刺遍的tn，以及如果在每一針刺步驟時層n為氣流法纖維網層的話Tair被用作tn。
現仍參考表1和第一範圍的轉移深度(Dn≥9.12)，所有三個倒鉤貫穿遠到足以使100％的纖維被永久性轉移(70％+25％+5％)。在第二範圍(9.12＞Dn≥8.06)中，僅有95％的纖維被永久性轉移，因為只有第一和第二倒鉤貫穿遠到足以永久性轉移纖維。在第三範圍(8.06＞Dn≥7.00)中，僅有70％的纖維被永久性轉移，因為只有第一倒鉤貫穿遠到足以永久性轉移纖維。這些範圍是很容易地從先前所述的針刺條件和圖11纖維料坯結構的纖維層材料推定的。25％永久性轉移的第四範圍反映一個處在中間的範圍，根據圖4方法，此時頂層部分但不是全部被粘著到毗鄰層。如有關圖4中所說，在轉移深度約為6.5mm時頂層開始粘著而在約為7.0mm時完全粘著。於是，就此方法而言，從未粘著到完全粘著的轉變顯然是隨著0.5mm的轉移深度增加而發生的。在25％範圍內提供低的永久性纖維轉移量增量，由此表明25％範圍是轉變範圍。就任何的針刺方法和類型的纖維層來說均可構成如表1那樣的表。然而，本發明並不限於表1的各範圍，因為本發明的原理可被應用於幾乎任何的纖維層材料和針刺方法。
通過以下的例子說明根據圖11方法是如何確定永久性纖維轉移的累積量。在圖11中，P0為10.60mm和c為6.36mm。根據等式7計算出第五遍針刺步驟具有從頂層起為13.51mm的轉移深度D11(10.6mm-6.36mm+12.07mm+1.0mm-3.8mm)，它大於9.12mm，這意味100％從頂層轉移的纖維被永久性轉移，第五遍針刺的頂層是層6。於是，對第五遍針刺來說，「100」出現在層6。從層4起的轉移深度D21為11.81mm(13.51mm-1.70mm)，它大於9.12mm，這意味在第五遍針刺期間從層5轉移的纖維100％被永久性轉移。因此，「100」出現在第5遍針刺中的層5列中。從層4起的轉移深度D31為10.11mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm)，它大於9.12mm，這意味著在第五遍針刺期間從層4被轉移的纖維100％被永久性轉移。於是，「100」出現在第五遍針刺的層4列中。從層3起的轉移深度D41為8.41mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm)，它小於9.12mm但大於8.06mm，這意味在第五遍針刺期間從層3被轉移的纖維95％被永久性轉移。於是，「95」出現在第五遍針刺的層3列中。從層4起的轉移深度D51為6.71mm(13.51mm-1.7mm-1.7mm-1.7mm-1.7mm)，它小於7.0mm但大於6.5mm，這意味從層2被轉移的纖維25％被永久性轉移。於是，在第五遍針刺時在層組中有五層(層2-6)。對所有的針刺遍來說這些計算被重複而對每遍針刺來說轉移量被列入到所說的表中。在這樣做之後；通過將所有出現在每一層列中的永久性轉移量相加而算出每一層纖維轉移的累積量。例如，層4受到永久性轉移的量在第三遍針刺期間為100，在第四遍針刺期間為100，在第五遍針刺期間為100，在第六遍針刺期間為95，在第七遍針刺期間為25，出現在矩陣底部處的總數為420。每一層的永久性纖維轉移量的總數被稱為永久性纖維轉移的累積量(CQT)。當纖維被針刺至少二遍從層中永久性轉移時CQT定量出每層的總的永久性纖維轉移。
層1的厚度從圖10的曲線I得到而層32的厚度從圖11的曲線II得到，因為這兩層是氣流法纖維網。此處要指出的是這些層受到不同的壓縮，因為它們是在此過程的不同點被添加的。於是，本發明是適應性強的並且能補償在整個過程中出現的壓縮特性方面的變化。
所有層的CQT被示於沿著標題為「實際CQT」的圖11矩陣的底部的行中。此處要指出的是CQT通常從層3處的高值465降低到層32處的低值200。當成型剎車盤時，在形成彼此相隔的兩個相反的耐磨表面的增密過程中和之後除去若干層。在兩耐磨麵(WS)處的CQT被示於圖11中。在一個表面處的CQT約為在另一個耐磨表面處的CQT的二倍(420/220)。這種不均勻性已被圖11表徵的纖維料坯結構的層間剝離試驗所證實。將各層分開所需的剝離力隨著CQT減少而減少，這是以CQT定出被永久性轉移的Z-纖維量的這一事實為依據的。高的CQT表示高的Z-纖維量，而Z-纖維是造成各層相互密合的原因。於是，高的Z-纖維量等於高的層間剝離力。
可以更深入一步地進行本方法，其中熟練地運用該針刺方法而在每一層中產生選定的CQT。選擇組成纖維料坯結構的每層的CQT是根據最終的纖維料坯結構的所希望的性質的料坯設計問題，並且不是本發明的一部分。如下所述的等式(8)可被用來獲得每一層的希望的永久性轉移量δi＝P0-c+Ti-1+Wi-D1i1等式(8)式中δi為當前針刺遍I的δ，Ti-1為來自先前的針刺遍I-1的纖維結構的總厚度，Wi為預測係數，D1i1為當前針刺遍的期望轉移深度D1。預測因素Wi是當前針刺遍後頂層的預定厚度與該針刺遍的預定壓縮係數之和。
兩種方法是可以使用等式(8)以獲得纖維料坯結構中每一層的期望CQT。在某些情況中，每一針刺遍的轉移深度D1i1可以是已知，將在每一層產生期望的CQT。構成類似料坯結構期間轉移深度D1i1與已知的轉移深度D1i1相匹配可在每一層中產生類似的CQT。舉例說，可以通過使用等式(7)和迄今有關本發明的表徵通過具體方法形成的纖維料坯結構和確定每遍針刺的轉移深度所討論的原理以及每一層所得的CQT來完成已知轉移深度的確定，由此對每一層產生期望的CQT。表徵每遍針刺的D11和料坯結構中每層的CQT的方法已在以前參考圖11和使用等式(7)進行過詳細討論。可從先前構成的纖維料坯結構獲得的這類信息的例子被示於圖11的「期望的D11」欄和「期望的CQT」欄中。
具有基本類似於「期望的D11」轉移深度和「期望的CQT」量的「實際D11」轉移深度和「實際CQT」量的料坯結構可以按如下所述來構成。等式(8)被用來計算每遍針刺的δi。首先，必須確定預測係數wi。根據優選的實施方案，特定針刺遍(I)的Wi是由從前一遍針刺(I-1)所得的數據推導出來的。更優選地，如果當前層(I)是基本上與前一層(I-1)相同的話，Wi是通過將tavei-1和Fi-1相加而推導出的。另一方面，特定針刺遍的層厚度和F是通過使用諸如圖8和10中所提供的曲線，特別是如果這些層不是基本上類似的話，而推導出的。再次參考圖11和使用作為例子的第五遍針刺，得自第四遍針刺的數據通過將F4(1.0mm)與T4ave(1.91mm)相加而確定出第五遍針刺的W5為2.91mm。於是，根據等式(8)和使用第五遍針刺中作為D151的期望轉移深度的14.53mm，推導出第五遍針刺的δ5為3.8mm(10.6mm-6.36mm+11.18mm+2.91mm-14.53mm)。然後將支承板調整到δ5(3.8mm)和對纖維結構進行第五遍針刺。
因此等式(8)可被用來計算每遍針刺的δi。支承板可被調整到該δi並對纖維結構進行該遍針刺。在進行特定遍針刺後，如先前所述那樣測定該遍針刺的組成纖維結構的纖維層厚度，並使用等式(7)確定該針刺遍的實際轉移深度以證明方法在正常進行。每遍針刺計算的實際轉移深度被示於已被詳細介紹過的標題為「實際D11」欄中。
此方法的實際CQT與期望的CQT被示於圖11下部中。在每遍針刺時實際CQT優選為處於期望的CQT的±10％之內。在根據此方法構成料坯的過程中，該方法本身會自動調整以適應在過程中出現的任何變化，並形成接近期望的Z-纖維分布的實際Z-纖維分布。這些變化可能是由過程中的壓縮與纖維層厚度的微小變化引起的，也可能是由其他原因引起的。
根據還代表本發明的另一方面的另一種方法，在每遍針刺時可以靈活地調整每一層的永久性纖維轉移量以達到每層的期望的CQT。現參考圖13，該圖中的表被用來構成在許多毗鄰層中具有不變的CQT值的纖維料坯結構。在這例子中，每層的CQT值為270是期望的，每層期望的CQT值被示於沿該表底部的行中。該表還示出每層的實際CQT，實際CQT緊隨期望的CQT。十三層被針刺在一起，每一層由被針刺在一起成為一相互密合層的三層OPF纖維的交向搭接的單向次層組成，如先前所述。每遍針刺時從每層中永久性轉移的量按以下方式控制。
該過程是通過在第一遍針刺中將層1和2針刺在一起開始的。然後使用等式(7)與纖維料坯結構的適當的測量結果計算第一遍針刺的實際D11為11.12mm，此值被示於圖13的最右列中。在此過程中，P0為11.0mm和C為6.36mm。第一遍針刺的起始床板定位根據判斷，並且應足以將這兩層粘著在一起。起始床板位置δ1最好是在第一遍針刺期間不過度針刺這兩層的前提下能形成適當地深到足以實現從層1和2中100％轉移的起始轉移深度D111。如以上所述，標題為「T」的列是料坯針刺後厚度，而標題為「tave」的列是通過T被每遍針刺時的組成纖維料坯結構的層數除而計算得到的平均層厚度。壓縮係數F是由圖6推斷的並還被示於圖13中。
在第二遍針刺開始時，被確定的期望轉移深度D121足以在層組的每一層中實現期望量的永久性纖維轉移。在每遍針刺步驟中層組和每層的量是根據需要確定，以在每層中產生期望CQT。例如，在第二遍針刺中，從層3的永久性轉移應為100％。因為層3尚未被針刺而且期望的CQT為270，從層2的永久性轉移應為100％，因為層2的CQT在第一遍針刺後僅為100而期望CQT為270，從層1的永久性轉移應為100％，因為層1在第一遍針刺後CQT僅為70而期望CQT為270。期望量可被排列在諸如圖14A所示的矩陣中。來自圖13的層數出現在圖14A的第一欄中。第二欄N指出如在等式1至6中所用的層組中的特定層。此處要指出的是第一欄的層數與N不相匹配，因為對層組中的頂層來說N總是為1。每一層的期望轉移量出現在下一欄。最後，對除層組中的最底層外的所有層來說估計的層厚度出現在最後一欄中。根據優選的實施方案，先前針刺步驟的平均層厚度被用作估計的層厚度。於是，3.24mm(得自第一遍針刺的tave)出現在層2(N＝2)和3(N＝1)的深度欄中。然後確定相對於層組中最低層的期望轉移深度並將其置於圖14A的作為最低層的深度欄。在此例中，此轉移深度為D321因為最低層的N＝3。根據優選的實施方案，諸如表1那樣的表被用來確定期望的轉移深度。在使用此表時，D321必須至少為9.12mm以便從層數1(N＝3)中獲得100％永久轉移。相對於頂層(N＝1)的轉移深度D121是通過出現在圖14A的「深度」欄中的各數相加形成期望的值15.60mm而被確定的。每遍針刺的期望轉移深度D11被示於圖13的「期望D11」欄中。每遍針刺的期望轉移深度D31被示於圖13的「期望D31」欄中。
然後在等式(8)中應用估計的轉移深度D121以確定第二遍針刺的床板定位。根據優選的實施方案，等式(8)的Wi是如先前在有關圖11和等式(8)中所討論的那樣通過將tavei-1與Fi-1相加來確定。就第二遍針刺來說，W2為3.24mm，而δ2為-1.2mm(11.0mm-6.36mm+6.48mm+3.24mm-15.60mm)。支承板位置δ2為負數，這表示支承板從其在第一遍針刺的起始位置向成氈針移動。支承板被調節到δ2而纖維結構被經受第二遍針刺。
在第二遍針刺後，得到適當的測定值並使用等式(7)來計算第二遍針刺的實際轉移深度D121，D121為14.61mm。每遍針刺的實際轉移深度D1i1被示於圖13的「實際D11」欄中。然後根據先前所述的方法計算出實際的永久性轉移量並插入到圖13。就第二遍針刺來說，期望轉移深度是足以從所有的三層中達到100％永久性纖維轉移的期望量。根據等式6計算的每遍針刺的實際轉移深度D3i1被示於圖13的「實際D31」欄中。9.37mm的D321證明對第二遍針刺來說從層1(N＝3)中被轉移的纖維100％是被永久性轉移，因為此值大於9.12mm(見表1)。
對每遍針刺來說重複此過程；其例子顯示於圖14B和14C中，其中對第三和第四遍針刺確定期望的轉移深度D11。在層組中為三個層，對其餘的針刺遍來說從層組的最底層(N＝3)的期望的轉移量為70％，因為相同的CQT270是想望的。通過對每遍針刺確保如表1中所要的D31為7.00與8.06mm之間而實現從最底層(N＝3)的70％的期望轉移量。這是通過在每遍針刺選擇期望的D31約為7.5mm而實現的。然而，取決於從圖13可見的轉移深度趨勢，此數可能會向下限或上限偏移。例如，如果對特定針刺遍來說實際D31接近8.06mm的話，下一遍針刺的期望D31可能會偏向7.00mm(期望D31＜7.5mm)。同樣，如果對特定針刺遍來說D31接近7.00mm的話，下一遍針刺的期望D31可能會偏向8.06mm(期望D31＞7.5mm)。按照這樣方式，轉移深度可被調整到仍處於必須的限度內以便在每遍針刺時獲得期望的永久性纖維轉移量。由此可以在每遍針刺中靈活控制永久性纖維轉移量以便在每層中獲得期望CQT。
現仍參考圖13，必須指出的是層1的實際CQT為170，遠低於期望CQT270。對第一層來說要實現為270的期望CQT可能是困難的，但是其意義不大，因為在以後的加工纖維料坯結構期間第一層通常是被去掉的。就層2至11來說實際CQT緊緊追循期望CQT。層12和13的實際CQT是低的，但是在添加隨後的層期間，或者通過使纖維結構在不添加層的情況下退出針刺步驟可以被增高。
在不背離本發明的精神前提下變化是可能的。例如，對每一層來說圖13的期望CQT是相同的。然而，期望CQT分布從一層到下一層是可以變化的。使用本公開中提供的原理可以獲得具有任何這樣分布的纖維料坯結構。此外，用來確定Wi的預定層厚度和每遍針刺的纖維轉移深度D1i1是基於得自先前針刺遍的測定值的。預定的層厚度可以使用其他方法確定，例如，從如圖9和10中所顯示的那些曲線推導出特定針刺遍的預定層厚度。同樣，在以基本上相似的方法形成基本上類似的纖維料坯結構期間特定針速遍的Wi可以通過測定其值來確定，或者根據任何其他先前所述的或相當的方法來確定。
重要的是必須說明，針刺任何特定層的操作事實上延伸到若干的下層中。在圖11和13中，以虛線指示出在每遍針刺步驟中Z-纖維束實際穿過的一些層。用分數表示的表列值指示在該針刺步驟期間纖維是從一層的部分中被轉移的。於是，針刺一隨後的層會增加下面層中的Z-纖維束數目。增加隨後層的CQT會增加下面的先前被針刺層中的Z-纖維量。
圖6、8、9、10和11是基於各纖維層和纖維料坯結構的實際厚度測定值。在這些圖中從一測定值到下一測定值的少量偏移可明顯看出並且是不可避免的。在本發明的實踐中精確和反覆地測定纖維層厚度和纖維結構厚度是重要的。優選根據ASTM D 1777-64(1975年重新批准)，「測定紡織品的標準方法」測定厚度。
根據本發明的再一個方面，還可以確定Z-纖維束分布的量，並且可以獲得期望Z-纖維束分布。再次參考圖11，通過將產生貫穿特定層的Z-纖維束的針刺遍數相加可以估計貫穿每一纖維層的Z-纖維束的數目。如果整個形成纖維結構期間在單一針刺遍期間產生的Z-纖維束數是恆定的話，那麼貫穿每一纖維層的Z-纖維束數可以通過將特定欄中的表列值，包括任何的分數表列值(由於Z-纖維束僅部分貫穿纖維層的一部分)相加來估計。在圖11中，每一纖維層的總Z-纖維數被提供在標題為「Zn」行中。然後通過Zn乘以由單一針刺遍產生的每單位面積Z-纖維束數來估計出每層的Z-纖維束數。例如，假定在圖11方法中由每遍針刺產生每平方釐米為100個Z-纖維束。那麼，在此例中，在標題為ZpL行中所提供的每層Z-纖維束數為每層100×Zn。Z-纖維束數還可包括在形成這些纖維層期間已被包含在各別纖維層之中的任何的Z-纖維束。例如，纖維層2-31可以已含有每平方釐米為50個Z-纖維束，已有的Z-纖維束數會使這些層的總ZpL增加。如先前所示，纖維層2-31的每一層包含三層被一起輕度針刺而成為一相互密合層的OPF纖維的單向次層。層1和31為是氣流法纖維網。兩種類型的這些層均已含有許多Z-纖維束。
現參考圖15，圖15顯示根據本發明的一個方面的纖維結構230的剖面圖。纖維結構230包含許多疊加的纖維層201-224。多重纖維層201-224包括第一或上面的纖維層組232，該纖維層組具有下纖維層213和上纖維層224。根據優選的實施方案，第一組232包含多重纖維層。纖維結構230還包含在多重纖維層201-224裡面的層間穿過的多重Z-纖維束240。Z-纖維束240優選是在當疊加的纖維層在多重成氈針底下經過時通過將成氈針周期性地迫入到纖維層中的針刺方法而產生的。此處所用的術語給定層的「針刺密度」是指在該層中每單位面積中產生的Z-纖維束數目。例如，Z-纖維束319產生於層219中並貫穿隨後的層216-218。為了圖示清楚起見，僅將由一根成氈針產生的Z-纖維束示於圖15中。前述針刺方法的任何一種均適用於本發明的實踐。在整個形成纖維結構的過程中，每遍針刺優選每單位面積上產生不變的Z-纖維束數，單位面積是與其中的Z-纖維束相垂直的。這可以通過使成氈針底下的纖維結構以恆定速度前進和通過以恆定速度(以秒計的貫穿速度)周期性地將成氈針迫入到纖維結構中來實現。然而，重要的是要說明，在整個的纖維結構形成過程的特定的針刺遍期間，單位面積上產生的Z-纖維束數目是可以變化的。這可以通過改變纖維結構的前進速度和/或成氈針的周期速度來實現。任何這樣的變化均被認為屬於本發明的權利要求範圍之中。
針刺方法產生的典型的Z-纖維束如圖16中所示。Z-纖維束319產生於纖維層219中並貫穿到毗鄰層216-218。帶有倒鉤的成氈針(未示出)首先貫穿纖維層219並在退出之前轉移纖維252，由此產生Z-纖維束319。被轉移的纖維可以產生在纖維層216-219的任何一層中。在所示的例子中，纖維主要從層218與219被拉出。Z-纖維束319僅是被用來示意的，而纖維層230中的其他Z-纖維束可以貫穿不同數目的層，並且從多於或少於二層的層中以類似轉移纖維252那樣轉移纖維，這取決於許多因素，包括纖維的類型和針刺過程參數。
再次參考圖15，處於第一組232中的每一纖維層具有產生於該層並且在不通過所有毗鄰層的情況下貫穿幾層毗鄰層的多重Z-纖維束240的313-324部分。參考層219，例如，Z-纖維束319產生於層219並且貫穿毗鄰纖維層216、217和218而沒有貫穿毗鄰纖維層201-215。考察所有的纖維層201-224可以看出每一纖維層具有產生於該層並貫穿幾個毗鄰纖維層的Z-纖維束301-324的幾部分。處在第一組232之中的幾部分Z-纖維束313-324貫穿從下纖維層213到上纖維層224中的增加數目的纖維層。根據優選的實施方案，此趨勢引起在相對於下纖維層213的第一組232之中每層的Z-纖維數增加。例如，將圖15中所示的纖維層213與221的剖面相比較，顯示在層213中Z-纖維束為22，與之相比在層220中為36。如上所示，增加每層的Z-纖維束數引起Z-纖維束由上面各層向下面伸延並增加在下面的先前針刺過的各層中Z-纖維束的數目。因此，根據本發明的一個方面，在第一組232中每一纖維層213-224具有許多貫穿該纖維層的Z-纖維束，並且至少一個纖維層216-220處於下纖維層213與上纖維層224之間，並且具有大於下纖維層213的總Z-纖維束量，這至少部分是由於纖維層數目從下纖維層213到上纖維層224增加之故。
仍參考圖15，多重疊加的纖維層201-224可以進一步包括第二或下纖維層組234，層組234具有第二下纖維層207和第二上纖維層212。根據優選的實施方案第二組234處於第一組232的底下。在第二組234之中的每一纖維層具有該纖維層中產生的並在不貫穿所有的毗鄰層201-206的情況下貫穿各毗鄰纖維層的多重Z-纖維束240的幾部分307-312。此幾部分Z-纖維束從第二下纖維層207到第二上纖維層212貫穿減少數目的纖維層。在第二組234之中的每一纖維層207-212具有許多貫穿該層的Z-纖維束，並且處於纖維層207與纖維層212之間的至少一纖維層具有比纖維層207少的Z-纖維束數，這部分原因至少是由於從纖維層207到第二上纖維層212纖維層數減少之故。例如，在圖15所示的這些層的剖面中，纖維層211具有的Z-纖維束數為21而纖維層207具有的Z-纖維數為29。Z-纖維束數的減少是由於被Z-纖維束貫穿的纖維層數目在隨後的各針刺遍期間減少，並且Z-纖維束不能轉移到下面的先前被針刺的各層中之故，而先前被針刺的各層之數仍保持不變或增加。
根據本發明的特別優選的方案，第二組234是直接在第一組232之下並且多重纖維層201-224包含兩個外纖維層201和224與處於這兩個外纖維層201與224之間的若干中間層202-223。在多重纖維層201-224之中的每一纖維層具有許多貫穿該層的Z-纖維束。Z-纖維束數的分布情況是在外纖維層201與224之中最大，並且在中間層202-223中較小。每層Z-纖維束數的逐層分布情況可以是在纖維結構230中心線兩側對稱的，如圖15中所示。最底的纖維層組236具有產生於纖維層201-206之中的幾部分301-306的多重Z-纖維束240。此處要說明的是Z-纖維束301-306產生於層201-206的一層中，並且貫穿所有的毗鄰纖維層。在組236中纖維層的數目取決於期望Z-纖維分布。
現參考圖17，圖中顯示的剎車片的徑向剖面具有通過內圓周表面250和外圓周表面248連接的兩個相反的通常為平表面244和246的環形纖維結構。該纖維結構具有類似圖15的Z-纖維分布，於是兩個外部分242具有比內部分243更多的Z-纖維束。各纖維層通常與外平表面244和246相平行。粘合基料滲入該環形纖維結構。兩個外部分242與平表面244和246相毗鄰，而內部分243處於兩外部分242之間。就某些纖維層而言，在剎車片中從一層中拉出纖維以產生Z-纖維束趨向於減少該層垂直於針刺方向上的抗拉強度，由連續長絲組成的各纖維層趨向於顯示這些特性，因為針刺使連續的纖維斷裂成為較短的纖維。在纖維結構230中，這樣纖維層的抗拉強度隨著在針刺期間從該層中拉出的纖維量的增加而減少。外部分242中的Z-纖維束具有比內部分243中的Z-纖維束更大的長度，這意味從外部分242中要比從內部分243中拉出更多的纖維。因此，兩個外部分242與內部分243相比，在垂直於針刺方向上具有較低的抗拉強度。另一方面，增加一層中的Z-纖維束數目趨向於增加該層耐機械磨耗性。因此，外部分242比內部分243具有更大的耐機械磨耗性。還有，增加在層間通過的Z-纖維束數會增加剎車片的層間剪切強度以致使外部分242比內部分243還可能具有更大的層間剪切強度(記住，剪切強度隨針刺增加可能達到最大值，然後又降低)。因此，圖15的整個厚度Z-纖維分布提供功能梯度(functional gradient)。剎車片238在毗鄰平磨耗表面244和246的外部分242中具有最大的耐磨耗性和抗剪強度，而在內部分243中具有最大的抗拉強度。就具體的纖維結構、針刺方法與增密方法來說抗拉強度和層間剪切強度特性與針刺的關係優選是憑經驗確定的。最後，圖15的Z-纖維分布可以通過改變在每一纖維層之中單位面積的Z-纖維束數目(針刺密度)來提高，單位面積是與Z-纖維束相垂直的。例如，可使在組232和236中的各纖維層經受比組234中各纖維層更大的針刺密度；這會進一步增大整個厚度Z-纖維梯度分布。許多方法能實現增大針刺密度，這些方法包括在一針刺遍期間增加單位面積的針刺孔數，和/或通過使纖維層在不添加另外的纖維材料的情況下受到至少二遍針刺。
現參考圖18，所示的是根據本發明的另一方面的纖維結構430。纖維結構430包含多重的疊加纖維層401-424，第一組纖維層432，和第二組纖維層434。纖維結構430類似於纖維結構230，除了第二組434(類似於組234)為上組，和第一組432(類似於232)為處於第二或上組434底下的下組外。第一組432具有下纖維層404和上纖維層412，並且優選包含多重纖維層。纖維結構430還包含在多重纖維層401-424之中的纖維層間通過的多重Z-纖維束440。如先前有關圖15中所述，Z-纖維束440優選是通過一種針刺方法將疊加的各纖維層通入到多重成氈針底下、周期性地將成氈針迫入到各纖維層來產生。為了清楚圖示起見，僅將由一根成氈針產生的Z-纖維束示於圖18中。類似於圖15的組236，提供一底組纖維層436。
仍參考圖18，在第二組434底下配置第一組432形成具有不同於圖15所示的Z-纖維分布的纖維結構。在多重纖維層401-424之中的每一纖維層具有許多貫穿該層的Z-纖維束。該Z-纖維束數具有在外纖維層401和402之中最小，並且在中間纖維層402-423之中的一點處最大的分布。每層的Z-纖維束數的逐層分布可以是以纖維結構430的中心線對稱的，如圖19所示。在本發明的實踐中，如圖15和19所示的對稱分布並不是必不可少的。此外，根據本發明的纖維結構可以包含任何數目的層厚度不變或變化的纖維層，並且被每一纖維層的Z-纖維束貫穿的層數可以不同於圖15和19中所示的層數，而形成對本技術領域的熟練人員來說以本公開的知識是顯而易見的各種各樣的Z-纖維分布。任何這樣的改變均被認為是屬於本發明的權利要求範圍之內。
現參考圖19，圖中顯示根據本發明的一個方面的均勻纖維結構630。纖維結構630包含多重包括下纖維層601和上纖維層620的疊加的纖維層601-620。纖維層601和620還可被稱為最外纖維層。多重Z-纖維束640在多重纖維層601-620之中的纖維層間通過。多重的疊加纖維層601-620包括上組纖維層632和直接在上組纖維層632底下的下組纖維層634。多重Z-纖維束640連接多重纖維層601-620。在上組纖維層632中的每一纖維層606-620具有產生於該層並穿過處於其下的許多纖維層但不是所有纖維層的部分706-720的多重Z-纖維束。被Z-纖維束706-720貫穿的纖維層數目在上部分632中是不變的。在下組纖維層634中的每一纖維層601-605具有產生於該纖維層並且貫穿處於該纖維層底下的所有纖維層的一部分的多重Z-纖維束。
根據一實施方案，每一纖維層具有許多貫穿該纖維層的Z-纖維束，並且Z-纖維束的數目是恆定不變的。在纖維結構630中，例如，產生於上組632的每一部分Z-纖維束706-720貫穿五層毗鄰的纖維層，在所示的剖面中導致每一纖維層601-620具有43個Z-纖維束。這優選是通過保持不變的針刺密度與在上組632中被Z-纖維貫穿的纖維層數是不變的以及通過在下組634中提供必需數目的纖維層而在下組層中達到期望數目的Z-纖維束來實現。要說明的是在圖19中，下組634中的纖維層數相當於上組632中被Z-纖維束貫穿的纖維層數(五層)。纖維結構630在纖維層601-620的整個厚度上具有均勻的物理性質。通過增密纖維結構630製造的剎車片在其整個厚度上具有均勻的耐磨性、強度和熱轉移性。這些特性在該片磨損時因整個厚度上的均勻性而保持不變。
根據另一實施方案，所提供的纖維結構具有在整個纖維結構中貫穿恆定數目纖維層的Z-纖維束，每層具有貫穿該纖維層的許多Z-纖維束，並且在該纖維結構之中Z-纖維束數是非恆定的。例如，最外的纖維層能含有比處於最外纖維層之間的中間層多達二倍的Z-纖維束。Z-纖維束的數目可以通過在成型纖維結構時改變針刺密度來變化。功能上類似於圖15中顯示的分布的Z-纖維分布可以通過在針刺內部分243中的纖維層時減少針刺密度至最小來實現。就這樣的方法而言，處於最外纖維層之間的一纖維層具有從該纖維產生的最小數目的Z-纖維束。以起始的針刺密度開始針刺第一層，而在針刺中間纖維層時減低到最小針刺密度，並且在針刺最終纖維層時增加到最終針刺密度。起始與最終的針刺密度通常可以是與最大針刺密度相應的等值。如果針刺密度變化的話，在每一纖維層中產生的單位面積Z-纖維束數是不恆定的。於是，Z-纖維束的預定分布可以用在上組632中貫穿恆定數的纖維層的Z-纖維束達到。
根據本發明的另一個方面，提供一種通過變化Z-纖維束長度成型具有預定的Z-纖維束分布的纖維結構的方法，在介紹該方法中將涉及圖15的纖維結構230，但是該方法同樣適用於具有其他的Z-纖維分布的纖維結構，並且任何這樣的變化均被認為屬於本發明的權利要求範圍之內。根據本發明的該方法包括疊加和針刺步驟而將多重纖維層201-224在一系列的針刺遍中針刺在一起，在多重纖維層201-224內產生多重Z-纖維束240，每遍針刺產生一部分的多重Z-纖維束，該部分的Z-纖維束穿過許多毗鄰的纖維層，每一部分302-324的多重Z-纖維束240僅貫穿那些需要更多的Z-纖維束以在多重纖維層201-224的每一纖維層之內達到預定的Z-纖維束數的毗鄰纖維層。例如，假定在一纖維結構中要求表2所示的預定的Z-纖維分布，其中N為在單一遍針刺期間產生的每單位面積的Z-纖維束數。
表2層Z-纖維束數目1-3 6*N4-6 5*N7-9 4*N10-153*N
16-184*N19-215*N22-246*N具有此Z-纖維分布的纖維結構230可以通過以一系列的針刺遍針刺纖維層而形成，每遍針刺在每一層中產生一組貫穿被示於表3中的層數的Z-纖維束。就此實例來說，由於通常需要至少二層纖維層來產生Z-纖維束，除非纖維層201相當厚，因此假定該方法是由針刺纖維層201與至少一層下纖維層200開始的。此外，為了在該方法結束時在纖維層322-324中產生Z-纖維束而提供纖維層225和226。
表3針刺遍纖維層的數目1 22 33 44 55-8 69-10 511-12 413-18 319-22 423-25 5264275284293
在隨後的加工期間去掉纖維層200和225-226，留下具有期望Z-纖維分布的纖維結構230。除掉外纖維層是隨後的CVI/CVD加工中的慣列。不過，可以希望在纖維結構230的兩側面提供相同數的可被除去層，因為在隨後的加工中優選是從兩側上去掉相同量的材料。在針刺遍202至204的每遍針刺之前應即時添加另外的纖維層。纖維層225受到起始針刺遍(針刺遍25)，接著是一退出針刺遍，其中纖維結構相對於多重成氈針下降並再次受到一遍針刺(針刺遍26)，而纖維層226受到起始針刺遍(針刺遍27)，接著是二遍的退出針刺遍(針刺遍28和29)。針刺遍25和26產生Z-纖維束325，而針刺遍27-29產生Z-纖維束326。另外纖維層的數目與退出遍數取決於各外層中的期望Z-纖維分布。要指出的是表2的Z-纖維分布是以纖維結構的中點對稱的，但是每遍針刺的毗鄰纖維層的數目遠不是對稱的並且在多重纖維層201-224之中變化。於是，根據優選的實施方案，疊加與針刺多重纖維層201-224的步驟是以底纖維層200開始並繼續到頂纖維層224或者如果另外的纖維層例如纖維層225和226被添加的話則超出頂纖維層224。在每遍針刺期間最好在單位面積產生恆定數的Z-纖維束。然而，每單位面積所產生的Z-纖維束數可以在整個纖維結構的形成期間變化。
本發明的方法是具有相當的靈活性的，並且可被用來產生許多Z-纖維分布。具有表4中所示的纖維結構430(圖18)的Z-纖維分布的纖維結構可以通過在如表5中所示的每遍針刺期間產生Z-纖維束來生產。就此例來說，由於通常需要至少二層的纖維層來產生Z-纖維束，除非纖維層401為相當的厚，因此假定該方法是通過針刺纖維層401與至少一層下纖維層400開始的。此外，為了在該方法終點的針刺遍25期間在纖維層424中產生Z-纖維束525而提供纖維層425。纖維層400和425在隨後的加工期間被去掉而留下具有期望Z-纖維分布的纖維結構430。如與纖維結構230一樣，可以希望在兩側面上提供相同數的可被除去層，因為在隨後的加工期間最好從該纖維結構的二側面去掉相同量的材料。在針刺遍2至24的每遍針刺之前即時添加另外的纖維層。
表4可以如層 Z-纖維束的數目201-2033*N204-2064*N207-2095*N210-2156*N216-2185*N219-2214*N222-2243*N表5針刺遍 纖維層的數目1 22-637-10 411-13 514-20 621-22 523-24 425 2通過如在表6所示的每遍針刺期間產生Z-纖維束可以製造具有圖19的纖維結構630的Z-纖維分布的纖維結構。纖維結構630在每一纖維層601-620中具有恆定不變數的Z-纖維束，該Z-纖維束數可以定量為5*N。就此例來說，假定該方法是通過針刺纖維層601與至少一層下纖維層600開始的，因為要產生Z-纖維束通常需要至少兩層的纖維層，除非纖維層601為相當厚。此外，為了在該方法的終端在針刺遍21期間在纖維層620中產生Z-纖維束721而提供纖維層621。在隨後的加工期間纖維層600和621被除掉，留下具有期望Z-纖維分布的纖維結構630。在從針刺遍2至20的每一針刺遍之前即時添加另外的纖維層。如果針刺密度是恆定的話表6值產生均勻的纖維結構。如先前關於圖19中所述，針刺密度可能是不恆定的並且在該針刺方法期間可以改變以產生預定的Z-纖維分布。
表6針刺遍纖維層的數目122233445-20 521 2在根據本發明的方法中，在一系列的針刺遍中多重纖維層被連接，每遍針刺包括將至少一層的纖維層疊加在通過先前的各針刺遍而被預先連接的各纖維層上的步驟。產生從至少一層的纖維層延伸到先前連接的各纖維層中的Z-纖維束，在隨後的各針刺遍期間先前連接的纖維層中的每一層接受Z-纖維束直至該纖維層中的Z-纖維束數達到其預定的Z-纖維束數，由此在多重纖維層中的每一纖維層具有預定的Z-纖維束數。由至少一部分的針刺遍產生的Z-纖維束不能貫穿先前被針刺的全部纖維層。如迄今所述，為了便於描述本發明，被各Z-纖維束組貫穿的毗鄰纖維層數現已以整數表示。當必須達到期望Z-纖維分布時毗鄰層的數目還可包括分數的纖維層。在實踐中，被Z-纖維束組貫穿的毗鄰纖維層的數目通常包括分數的纖維層。
如在關於圖1-14中所述，圖15-19中所述的形成具有期望Z-纖維分布的纖維結構的方法可在考慮或不考慮壓縮與最小轉移的情況下使用。如果被轉移的纖維具有很小或沒有縮回到其起源的纖維層的趨向的話，就不必考慮最小纖維轉移。如果在具體的方法中使用的纖維層在隨後的各針刺遍期間具有很小或沒有壓縮趨向的話，就不必考慮先前被針刺層的壓縮問題。如果壓縮是一個因素的話，那麼在特定的針刺遍期間最好使用等式(7)來計算實際轉移深度，以及最好使用等式(8)來計算下遍針刺的支承板定位。等式(8)中的期望轉移深度D1i1是通過將在下遍針刺中被Z-纖維束貫穿的層的數目(如果該數包括分數層的話，還包括分數層)的層厚度來加在一起確定。各別層的厚度可以通過有關圖1-14所述的任何方法來確定。本發明的方法可以用在等式(7)與(8)之間交替的主動控制的「預測值-校正」技術來進行，如先前在圖11中所示。
根據優選的實施方案，如先前所述，全部或某些纖維層是由已被一起輕度針刺為一相互密合層的連續OPF纖維的三個單向次層組成的。該針刺方法利用如在圖4A和4B中所示的多孔支承板，並最好考慮壓縮和最小轉移。然而，重要的是必須指出，就特定的針刺方法來說，最小轉移、壓縮特性和纖維轉移特性是由該方法的實際經驗確定的。這些特性可以根據此處所公開的原理來確定。
最後，仍參考有關圖15-19中所述的方法，沒有必要確定纖維從中轉移的每一層和層組的纖維轉移量或形成在每層中具有期望CQT的纖維結構。然而，最好能對CQT進行定量，因為它是出現轉移纖維和究竟有多少纖維從纖維結構的每一層中轉移的指示。如先前所述，由纖維層轉移纖維會影響該層的機械強度。在至少一部分纖維結構中將CQT保持在預定的範圍內是可取的。根據圖15的用於剎車片的纖維結構在磨耗面處的ZpL優選為每平方釐米650-750個Z-纖維束，靠近中線處的最小ZpL約為500-600(包括已存在於形成該層期間產生的每一纖維層中的任何Z-纖維束)。在磨耗表面之間的每一層的CQT，當根據圖11(優選使用等式6a)計算時，優選保持在200-500的範圍內。用於根據圖19的剎車片的纖維結構可以具有每平方釐米約為625根Z-纖維束的通常為恆定的ZpL和處於250-350的範圍內的CQT。
在特定的層內在垂直於針刺方向的每單位面積的Z-纖維束數目可以通過改變針刺密度、通過改變如此處所述的轉移深度、或通過改變它們兩者來改變。本發明可以以任何一種的這樣方式被使用，並且任何這樣的改變均被認為是屬於本發明的權利要求範圍之內的。在本發明的方法中增加針刺密度可以由各種方式來實現，這些方式包括在每遍針刺期間增加每單位面積的針刺孔數，和/或通過使纖維層在不添加另外的纖維材料的情況下經受至少二遍針刺。
圖17的剎車片238的梯度Z-纖維分布可用其他方式獲得。一種這樣的方法包括在一系列針刺遍中在多重疊加的纖維層內形成在纖維層間通過的多重Z-纖維束的步驟，由此形成具有二個外部分242和在兩個外部分242之間的內部分243的纖維結構，每遍針刺均具有針刺密度，當形成二個外部分242時針刺密度大於形成內部分時的針刺密度。由這樣的纖維結構通過形成滲透各纖維層的粘合基料可形成剎車片。兩外部分242比內部分243具有更多的Z-纖維束。因此製成的剎車片，如先前在圖17中所示的那樣，在平行於表面244和246方向上具有較低的抗拉強度，而在外部分242中具有比內部分243高的耐磨耗性。針刺密度可以通過使外部分242中的至少一層的纖維層在添加另外的纖維材料之前受到至少二遍的針刺來增加。針刺密度還可以通過改變每單位面積的針刺孔數，或者通過這兩種措施的結合來改變。任何這樣的方法均可與任何迄今所討論的方法一起使用。
顯然，在不違背由以下權利要求書所界定的本發明的實際範圍與精神的前提下是可能作出許多改變的。
權利要求
1.一種纖維結構，包含多重疊加的纖維層，該多重疊加的纖維層包括上組纖維層和與所述上組纖維層相毗鄰的下組纖維層；和連接所說的多重纖維層的多重Z-纖維束，在所說的上組纖維層中的每一纖維層具有源於該纖維層的部分所述多重Z-纖維束，該部分多重Z-纖維束穿過若干的處於該纖維層下的纖維層而不穿過所有處於其下的纖維層，在所說的第一部分中所說的纖維層數目是恆定的，並且在所說的下組纖維層中的每一纖維層具有源於該纖維層並穿過處於該纖維層之下的所有纖維層的一部分所說的多重Z-纖維束。
2.權利要求1的纖維結構，其中每一纖維層具有若干的貫穿該纖維層的Z-纖維束，所說的Z-纖維束的數目是恆定不變的。
3.權利要求1的纖維結構，其中每一纖維層具有若干的貫穿該纖維層的Z-纖維束，所說的Z-纖維束數目不是恆定不變的。
4.權利要求3的纖維結構，其中處於最外纖維層之間的纖維層具有最小數目的源於該纖維層的Z-纖維束。
5.權利要求1的纖維結構，其中源於每一纖維層的每單位面積Z-纖維束數目是恆定不變的，所說的單位面積是與在所說的單位面積內的所說的Z-纖維束相垂直的。
6.權利要求1的纖維結構，其中源於每一纖維層的每單位面積Z-纖維束的數目不是恆定不變的，所說的單位面積是與在所說的單位面積內的所說的Z-纖維束相垂直的。
7.權利要求6的纖維結構，其中處於最外纖維層之間的纖維層具有源於該纖維層的每單面積最小的Z-纖維束數。
8.一種形成纖維結構的方法，包括以下步驟在一系列的針刺遍中形成連接多重疊加的纖維層的多重Z-纖維束，所說的多重纖維層包括上組纖維層和與所述上組纖維層相毗鄰的下組纖維層，在所說的上組纖維層中的每一纖維層具有源於該纖維層並穿過若干的處於該纖維層底下的纖維層但不穿過所有處於該纖維層底下的纖維層的一部分所說的多重Z-纖維束，纖維層的所說的數目從所說的下纖維層到所說的上纖維層是恆定不變的，並且在所說的下組纖維層中的每一纖維層具有源於該纖維層並穿過所有的處於該纖維層底下的所說的纖維層的一部分所說的多重Z-纖維束。
9.權利要求8的方法，其中每一纖維層具有若干的貫穿該纖維層的Z-纖維束，所說的Z-纖維束的數目是恆定不變的。
10.權利要求9的方法，其中在針刺隨後添加的纖維層期間壓縮先前被針刺的纖維層。
11.權利要求10的方法，其中在每遍針刺期間產生的Z-纖維束的長度為被該針刺遍的那些Z-纖維束貫穿的各毗鄰纖維層的估計的纖維層厚度之總和，如果所說的各毗鄰纖維層數包括分數的話，則也包括分數(fractional)纖維層的厚度。
12.權利要求8的方法，其中每一纖維層具有若干的貫穿該纖維層的Z-纖維束，所說的Z-纖維束數目是不恆定的。
13.權利要求12的方法，其中在隨後添加的纖維層的針刺期間先前被針刺的各纖維層被壓縮。
14.權利要求13的方法，其中在每遍針刺期間產生的Z-纖維束的長度為被該針刺遍的那些Z-纖維束貫穿的各毗鄰纖維層的估計的纖維層厚度之總和，如果所說的各毗鄰纖維層數包括分數的話，則也包括分數纖維層的厚度。
15.權利要求12的方法，其中處於最外纖維層之間的纖維層具有源於該纖維層的最小數目的Z-纖維束。
16.權利要求8的方法，其中源於每一纖維層內的每單位面積Z-纖維束的數目是恆定不變的，所說的單位面積是與處於所說的單位面積內的Z-纖維束相垂直的。
17.權利要求8的方法，其中源於每一纖維層內的每單位面積Z-纖維束的數目是不恆定的，所說的單位面積是與處於所說的單位面積內的Z-纖維束相垂直的。
18.權利要求17的方法，其中處於最外纖維層之間的纖維層具有最小數目的源於該纖維層中的每單位面積的Z-纖維束，所說的單位面積是與處於所說的單位面積內的所說的Z-纖維束相垂直的。
19.權利要求8的方法，其中在針刺隨後被添加的纖維層期間，先前被針刺的纖維層被壓縮。
20.權利要求19的方法，其中在每遍針刺期間產生的Z-纖維束的長度為被該針刺遍的那些Z-纖維束貫穿的各毗鄰纖維層的估計的纖維層厚度之總和，如果所說的各毗鄰纖維層數包括分數的話，則也包括分數纖維層的厚度。
全文摘要
本發明涉及形成纖維結構領域。根據本發明的纖維結構具有上組纖維層和與上組纖維層毗鄰的下組纖維層。多重Z-纖維束連接各纖維層，在上組纖維層中的每一纖維層具有一部分的源於該纖維層並且穿過若干的處於該纖維層底下的纖維層但並不穿過處於該纖維層底下的所有纖維層的Z-纖維束。在第一部分中被Z-纖維束貫穿的纖維層數目是恆定不變的。
文檔編號D04H3/10GK1155024SQ96121709
公開日1997年7月23日 申請日期1996年10月4日 優先權日1995年10月4日
發明者P·W·施翰, R·S·H·利 申請人:B·F·谷德裡奇公司