具有一种函数梯度变化的Z-纤维分布的制动盘及制备方法

本发明的涉及摩擦及制动材料的领域。更具体一些讲，本发明涉及用一种渗入连接基质的纤维结构的摩擦材料的领域。

用于形成纤维预成形结构而作为在复合结构中使用的针刺工艺是众所周知的技术，已经有许多年了。由Carlson等人申请的US3,772,115号专利介绍了一种工艺，可以同时或者用多次针刺步骤将好几个纤维层针刺在一起，该针刺工艺包括将许多根钩针重复地扎进纤维层内，钩针在纤维层内使纤维产生移位，从而引起纤维层连接成连接在一起的结构，如果最终结构太厚而无法使钩针全部穿透，则可以采用添加纤维层并用多次针刺步骤的办法，而逐渐增加地形成这种结构，纤维层含有碳或者石墨织物或者其前体，可以将根据该工艺形成的纤维预成形结构进一步加工成一种碳/碳复合结构，方法是在纤维预成形结构内沉积碳基质，将纤维连接在一起。该工艺可以用于形成多种复合结构，包括碳/碳制动盘。

1979年8月1日公开的英国专利说明书1549687介绍了一种类似工艺，该工艺也介绍了用于形成一种碳/碳复合材料的方法，纤维层可以含有氧化聚丙烯腈织物，它是用多次针刺步骤被针刺在一起的，在一个实施例中，用该工艺形成了一种碳制动盘。

由Pierre Olry申请的US4,790,052号专利披露了一种较新的工艺，目的是生产一种具有高均匀度的纤维预成形结构，这主要是通过针刺叠加纤维层在一起而实现的，在制品整个厚度上具有针刺的“均匀密度”，穿过的初始深度根据由刺针横向往复穿过的层数而定，例如大约20层，该工艺要求在整个纤维预成形结构形成过程中保持该深度不变，具体方法是降低纤维结构，使其离开刺针距离等于每次加入新纤维层的针刺层厚度。

同为Lawton等人申请的于1990年9月11日授权的US4,955,123号专利以及于1992年3月19日公开的PCT公开申请WO92/04492介绍了一种通过将环形面针刺在一起而形成制动盘的工艺，每次加入新纤维层时，就使纤维结构降低一针刺层的厚度。由Smith等人申请的于1995年2月14日授权的US 5,338,320号专利(作为US 4,955,123号专利部分内容的后续申请)介绍了在针刺过程中在预成形结构的外层“富含”短纤维的一种工艺，在该工艺中，富含短纤维的外层明显增加了外纤维层中的机械强度，并且，提高了所形成片状制动面的耐磨损性能。

在纤维预成形技术中，由于用针刺法产生的移位纤维通常与具有纤维预成形结构的纤维层垂直，所以将该移位纤维称为“Z-纤维”。在整个制动盘内的Z-纤维分布对于提高制动盘耐用寿命以及制动盘在对一飞行物的减速或制动性能都具有极大的影响，因此一般都希望得到一种具有改善耐磨性的同时又维持其强度和制动性能的制动盘。

根据本发明的一个方面，提供一种制动盘，具有一环形的纤维结构，该纤维结构具有两个相对的、一般为平的表面并且连接基质渗入所述的环形纤维结构，纤维结构还具有与所述的平的表面相邻的两外部区段，和设置在两外部区段之间的内部区段，所述的纤维结构具有一种一般为平行于所述平面的纤维层集，并且一Z-纤维束集在连接所述纤维结构的相邻纤维层之间穿过，其特征在于，所述的外部区段比所述的内部区段具有较小的、平行于所述表面的抗拉强度和较大的耐磨性，所述的纤维结构包括：一叠置的纤维层集，该纤维层集包括一个具有一下部纤维层和一上部纤维层的第1组纤维层，一Z-纤维束集，该纤维束集在所述纤维层集内的纤维层之间穿过，所述第1组纤维层内的每一纤维层具有在其中产生并且穿入下面的纤维层而不穿过所有下面的纤维层的一部分所述Z-纤维束集，所述Z-纤维束集的各部分穿入从所述的下部纤维层向所述上部纤维层数量增加的纤维层，所述的叠置的纤维层集包括一个具有第2下部纤维层和第2上部纤维层的第2组纤维层，和所述第2组纤维层内的每层纤维层都有所述的产生于其中、并且穿入下面的纤维层而不穿入所有的所述下面的纤维层的一部分Z-纤维束集，所述Z-纤维束的各部分穿入从所述第2下部纤维层到所述第2上部纤维层层数减少的纤维层。

根据本发明的另一个方面提供了一种用于形成一制动盘的方法，具有下列步骤：形成一种在一叠置的纤维层集内的纤维层之间穿过的Z-纤维束集，所述的叠置的纤维层集包括一个具有一个下部纤维层和一个上部纤维层的第1组纤维层，所述第1组中的每一纤维层都产生于那一层的一部分所述的Z-纤维束集并且穿过在那层纤维层下面的一定数目的纤维层而不穿过在那层纤维层之下的所有的纤维层，所述一定数目的纤维层数从所述的下部纤维层到所述的上部纤维层是增加的，所述的叠置的纤维层集包括一个具有第2下部纤维层和第2上部纤维层的第2组纤维层，所述第2组纤维层内的每层纤维层都有所述一部分Z-纤维束集产生于其中，并且穿过在那层纤维层下面的一定数目的纤维层而不穿过在那些纤维层之下的所有的纤维层，所述纤维层的数目从所述的第2下部纤维层到所述的第2上部纤维层是减少的，和形成渗入所述纤维层的连接基质。

再根据本发明的另一个提供了一种用于形成一制动盘的方法，具有下列步骤：经多次针刺形成在一叠置的纤维层集内的纤维层之间穿过的一Z-纤维束集，以此形成一具有两个外部区段和具有在所述两个外部区之间的一内部区段的纤维结构，每一次针刺具有一针刺密度，所述的针刺密度在形成所述的两外部区段时比在形成所述的内部区段时要大；并且，形成一穿入所述纤维层的连接基质。

本发明提供了一种具有优化了其耐磨性和强度特性的制动盘，以及形成该制动盘的方法。该方法具有相当大的优越性，因为它可以用当前现成的纺织方法。

图1表示适用于本发明的一台针刺设备的总示意布置图。

图2表示一种用图1设备的针刺过程的详图。

图3表示一种在图2针刺过程中产生的Z-纤维束的详图。

图4A表示用于确定最小纤维转移距离之方法的第一部分。

图4B表示用于确定最小纤维转移距离之方法的第二部分。

图5A表示根据本发明一个方面多次针刺中的第一次针刺。

图5B表示根据本发明一个方面多次针刺的第二次针刺。

图5C表示根据本发明一个方面多次针刺的第三次针刺。

图5D表示根据本发明一个方面多次针刺的第四次针刺。

图6表示图5A-5D针刺的估算表面位置与针刺次数的曲线图。

图7A表示根据本发明另一个方面多次针刺的第一次针刺。

图7B表示根据本发明另一个方面多次针刺的第二次针刺。

图7C表示根据本发明另一个方面多次针刺的第三次针刺。

图7D表示根据本发明另一个方面多次针刺的第四次针刺。

图8表示图7A-7B针刺时的估算表面位置与针刺次数的曲线图。

图9表示根据本发明的一个方面说明含有纤维预成形结构纤维层的针刺后的平均层厚度与纤维层数量的关系的压实曲线图。

图10表示根据本发明另一个方面说明气流法纤维毡层厚度与针刺次数的关系的压实曲线图。

图11表示根据本发明另一个方面，示出用于对每一纤维层定量永久性纤维转移以及确定每一纤维层永久性纤维转移的累积量的斜的行列式，以及单位面积上Z-纤维束的数量。

图12表示某些变量与针剌过程的几何结构之间的关系。

图13表示根据本发明另一个方面，示出用于定量每一纤维层永久性纤维转移和用于控制每一纤维层永久性纤维转移的之累积量的斜的行列式，以及单位面积上Ｚ一纤维束的数量。

图14A表示用于确定图13针刺2所要求的纤维转移深度的一个数表。

图14B表示用于确定图13针刺3所要求的纤维转移深度的另一个数表。

图14C表示用于确定图13针刺2所要求的纤维转移深度的第三个数表。

图15表示根据本发明另一个方面具有预定Z-纤维分布的一种纤维结构的截面图。

图16表示用针刺法产生的一种典型的Z-纤维束。

图17表示根据本发明的一个方面用与图15相类似的纤维结构所形成的一种环状制动盘的截面图。

图18表示根据本发明另一个方面具有预定Z-纤维分布的一种纤维结构的截面图。

图19表示根据本发明又一个方面具有预定Z-纤维分布的另一种纤维结构的截面图。

本发明涉及一种用于形成纤维预成形结构的工艺，根据本发明的纤维预成形结构适用于后续加工，在该后续加工过程中，连接基质沉积在预成形结构中，从而形成一种复合结构。本发明尤其适用于形成纤维预成形结构，该结构便于后续加工而成为碳/碳结构，例如飞机制动盘。后续加工通常包括热解预成形结构(当其由前体材料形成时)，以及沉积一种连接碳基质。将碳基质沉积在预成形结构中可以根据已知的方法进行，例如用碳蒸气渗入法以及用碳蒸汽沉积法(CVI/CVD)，或者用一种在随后进行焦化的碳支撑沥青或树脂进行重复浸渍的方法，或者采用任何一种相当的方法。尽管所描述的只涉及碳/碳复合物，但是，应该明确地理解，本发明同样可以用于形成多种适用于经后续加工而成为陶瓷结构以及碳/陶瓷复合结构的纤维预成形结构。

以下根据附图1-13说明本发明的各个方面，其中相同编号表示同一个部件。特别参见图1，示意性地表示了一台针刺设备8，针刺设备8适用于形成一种纤维预成形结构，方法是将好几个纤维层连接在一起，开始用至少两个纤维层，用多次针刺法向该两个纤维层上添加多个辅助纤维层，图1所示只是一般性布置，因为这类装置是众所周知的。适用于本发明这类设备的具体实例在以下几项专利中都有披露，由Olry申请的US4,790,052号专利(以下称为′052号专利)，由Lawton等人申请的US4,955,123号专利(以下称为′123号专利)，以及由Morris,Jr。等人申请的US5,217,770号专利(以下称为′770号专利)。图1所要表示的仅为任何一种这类设备的针刺区段，所以，本发明可适于采用根据第′052号专利所述设备形成一种片或“板”，或者根据第′123号以及′770号专利所述形成一种环形制品。所产生的纤维预成形结构在形状上的任何变化都被认为属于本发明的范围之内。

还是参见图1，纤维预成形结构20被表示在用设备8形成的工艺中，该纤维预成形结构20被沉积在位于许多刺针14之下的支架即基板12上，刺针14固定于针板16内，用刺针14可以穿入基板12，而且基板是用一种可穿透材料如泡沫塑料或刷毛制成，或者用一种带有与刺针14一致的孔以便于刺针穿入的非穿透材料如金属或塑料制成。纤维结构20由带有形成外露表面44的一个顶层的纤维层组成，然后，使纤维结构经过一次针刺，在此过程中，当纤维结构20沿着箭头34的方向在刺针下面经过时，多根刺针14重复地刺入纤维结构20中，在此所用的术语“纤维结构”是指在产生的针刺期间放置位于刺针14下面的基板12上的所有纤维层。每一次或若干次针刺后就向纤维结构上加入纤维层，但是，没有必要在每次针刺时都向纤维结构上加入纤维层。

可按照已知方法将刺针排成行，也可以将若干行刺针彼此平行排列，这样，每次针刺，纤维结构20的整个宽度都会受到针刺，刺针14的排列限定了针刺区域32。

用驱动机构18驱动刺针14，驱动机构18驱动针板16，使其往复运动经过一个固定的移动范围，这样，多根刺针使纤维结构20的纤维层中的纤维移位，产生在与内表面层基本垂直的纤维层之间穿过的“Z-纤维束”。将附加层放在原先的纤维层上，并经过附加的针刺过程，这使附加层连接在原先的纤维层上，加入附加层，直到达到最终要求的厚度为此，然后，不要加入附加层，对纤维结构20进行进一步针刺。按照在前面已经叙述过的已知方法，可以在后续的操作中对最终纤维预成形结构20进行加工。

按照现有技术中已知的方法，用基板调整机构22调整相对于多根刺针14的支撑位置，在此，基板调整机构包括起重螺杆24以及电机/齿轮箱26。必要时为了使基板12相对于多根刺针处于精确位置，控制器28通过控制线路30来控制基板调整机构22。基板12按照箭头34的方向驱动，这样，多根刺针就可以沿着纤维结构20的长度重复地刺进外露表面44，也可接着使支撑沿着箭头36的方向驱动，这样，就按照相反的方向针刺纤维预成形结构，如第′052号专利所述。如果按照第′123号或者第′770号专利所述要形成环形结构，则基板通常只能按一个方向驱动，还有，当刺针刺进纤维结构20时，基板12可以连续地驱动，或者，基板可以与驱动机构18同步驱动，这样，当刺针14刺进纤维结构20时，基板12就会暂时停止。任何一种这类的变化都属于本发明的内容，还有，在不违背本发明的情况下，设备8的各种部件可以按照不同方式进行排列定位，例如，可以将设备8转动到侧面，甚至当有特殊应用需要这种安置时，可以将其反向安置。

一种根据本发明一个方面的工艺如图2所示，其中含有至少两个纤维层40a-40i的纤维结构20位于装在基板12上的多根刺针14的下面，如图所示，纤维结构20可以含有许多叠加的纤维层，这样一叠纤维层可以变成很厚，这样，刺针14根本无法刺穿所有的纤维结构，将顶层纤维层40a放置在下面相邻纤维层40b、40c、40d、40e、40f、40g、40h、以及40i上，顶层40a形成外露表面44，在该实施例中，直到顶层纤维层40a经过针刺以后才与纤维层40b连接，在此过程中，纤维层40a-40i在多根刺针14下经过，同时，多根刺针14重复地刺穿外露表面44，如图中虚线所示，刺进纤维结构内足够的深度，以便使纤维层40a中的纤维永久性地转移进入下面相邻的纤维层40b内。由于顶层纤维层40a中的纤维永久性地转移进入纤维层40b以及其它在下的相邻纤维层内，针刺使顶层纤维层40a连接在纤维层40b上。

根据本发明的另一个方面，对于每次针刺，都有纤维从纤维层的选定组46中被永久性地转移。从一次针刺到下一次针刺，选定组纤维层可以发生变化，选择选定组纤维层是与根据所要求最终预成形特性进行预成形设计相关的事，不属于本发明的内容。在实施本发明时，选定组纤维层至少包括顶层纤维层40a，最好包括顶层纤维层40a以及至少一个相邻的纤维层40b，在图2所示的实施例中，选定组46包括纤维层40a、40b以及40c，在许多实际应用中选定组纤维层可以包括三层以上的纤维层。

现在参见图3，示出了由一根刺针14所产生的Z-纤维束66从顶层纤维层40a穿过，并向下经过纤维结构而进入纤维层40b-40g内，为了清楚起见，只显示出了刺针14相对纤维结构的一个侧面，在此，刺针14有一个顶尖74，最靠近该顶尖74含有第一个针钩68，第二个针钩70与第一个针钩68有一间膈，离开顶尖74则更远，而第三个针钩72与第二个针钩有一间膈，与顶尖74相距就更加远了。如图所示，其它组针钩沿着刺针14相互间隔分布，在所示的实施例中，当刺针14刺进纤维层40a-40f时，针钩68、70以及72就与这些纤维层接触，并且将这些纤维层中的纤维转移。

通常作为碳前体材料使用的纤维如聚丙烯腈纤维(PAN)及氧化聚丙烯腈纤维(OPF)具有弹性，这种弹性使纤维拉回至其原纤维层上，除非这些纤维已经转移了至少最小一段距离。当纤维层是用长丝或连续长丝制成时，无法获得永久性纤维转移，除非，纤维被转移太远而引起纤维断裂。温度与湿度也有影响，在此所用的术语“永久性纤维转移”指的是在针刺期间刺针14将纤维从一层转移到至少相邻一层内，在刺针14从纤维结构中退出后，已被转移的上述纤维仍然保持被转移状态。增加纤维转移深度仅0.5mm就能导致由非永久性纤维转移变成永久性纤维转移，这是一种出人意料的发现，所以，在针刺过程中，多根刺针14一起接触及转移选定组纤维层中的聚集纤维，若组成纤维层的纤维有拉回至其所述的原纤维层的趋向时，就不是100％的聚集纤维都被永久性地转移了。

纤维长度、纤维卷曲度以及纤维表面处理也会对永久性转移产生影响，短纤维、或者有卷曲的纤维、或者有粗表面或鳞片状(类似木头)纤维就较少有拉回到其原纤维层的趋向。由带有一种或几种这类特性的纤维组成的纤维层的最小距离可以大大小于有相同组成的光滑的、非卷曲的、连续纤维组成的纤维层的最小距离，在这种情况下，由于纤维必须被转移至少一定距离以便于附接到(另外的)纤维层，所以最小距离可以具有至少很小的临界值。用带有这些特性的纤维，基本上可以使100％的由多根刺针14接触到的聚集纤维被永久性地转移，因为组成纤维层的纤维具有极小拉回到其原纤维层的趋向。

所以，根据本发明的另一个方面，相对于顶层纤维层40a确定所要求的纤维转移深度48，从而足以从选定组的纤维层46中获得永久性纤维转移，而不是从选定组纤维层46以外的纤维层中永久性地转移大量的纤维。如果纤维层具有弹性，只有当转移深度超过最小距离50时，才能获得永久性纤维转移。

例如，将纤维从纤维层40a中转移至深度52，大于最小距离50，这就意味着由纤维层40a中转移的纤维得到了永久性转移。同样，将纤维从纤维层40b及40c中分别转移至深度54及56，大于最小距离，这就是说，从纤维层40b及40c中转移的纤维得到了永久性转移。将纤维层40d、40e、40f、及40g中的纤维分别转移至深度58、60、62及64，小于最小距离50，即是指纤维层40d至40g中转移的纤维没有获得永久性转移，从这些纤维层中转移的纤维拉回至这些纤维层中，这样，选定组纤维层46中的纤维得到永久性转移，而选定组纤维层46以外的纤维层中没有永久性地转移大量纤维。

确定最小距离50的一种优选方法如图4A和4B所示。参见图4A，将第一纤维层76放置在第二纤维层78上面，在第一纤维层76上形成外露表面80，第二纤维层78放置在基板12上，第一纤维层76基本上与图3的上层40a相类似，而第2纤维层76基本上与图3中的纤维层40b相类似。还是参见图4A，用与用来形成如图1-3所示的纤维预成形结构的针刺过程基本相同的方法，所用的刺针14基本上也与上述针刺过程所用的相似，通过重复将多根刺针刺进露出表面80，经过第一纤维层76又刺进第二纤维层78中，这样将纤维从第一纤维层76中转移进入第二纤维层中。为清楚起见，只示出一根刺针且只示出一个针钩，基板12上冲钻有与刺针14对齐的孔15，如图所示，该孔15使得刺针14刺进基板12内，当刺针14刺进纤维层中时，纤维层76及78在箭头90方向在该刺针14下面经过，开始形成纤维转移深度82，如图所示，产生Z-纤维束84，但是由于纤维没有被转移距上层76足够远的距离，所以Z-纤维束84又拉回到上层，被拉回的Z-纤维束部分用虚线所示。现在参见图4B，纤维转移深度得到增加(通过使基板12朝着多根刺针14方向移动)直到第一纤维层刚刚开始连接到第二纤维层78上，此时，纤维转移深度86等于最小距离50。由于转移深度86很深，足以使上层76中的纤维永久性地转移，从而产生使两个纤维层连接在一起的永久性纤维束88，这样，第一纤维层76开始连接到第二纤维层78上。

也可以用以下办法确定最小距离50，将纤维层76放置在多个先行针刺过的纤维层(纤维结构或“板”)上，接着进行增加针刺穿入深度的操作，直到完成达到纤维层76的连接为止。该方法可以更准确地定量最小距离50，因为在形成纤维预成形结构的过程刚开始时，纤维结构含有两层(如图4所示)，由于只有两层，Z-纤维束伸过底层而进入基板内，在大多数加工过程中，顶层纤维层被放置在先前已连接过的纤维结构上，并对其进行针刺(如图2所示)，且Z-纤维束完全被包在纤维结构之内(如图3所示)。不过，现已发现，根据图4的方法定量最小距离非常适合于实施本发明。

根据一个优选的实施例，每个纤维层40都含有三个单向的OPF纤维分层，它们被轻轻针刺在一起成为一个连接在一起的纤维层，每个分层的纤维方向相对于相邻的分层转动60°，如第’052号专利的实施例1所示。在针刺操作开始之前，通过将第一单向网交叉折叠到第二纵向网上，从而形成每一纤维层的方向取向，所说的网较好的是用OPF纤维丝束形成，每丝束由320,000根长丝组成。适用于实施本发明的OPF丝束由以下公司提供，它们是：RK Carbon Fibres Limited of Muir of Ord,Scotland；和ZoltekCorporation of St.Louis,Missouri,U.S.A。非氧化PAN纤维(“生丝束”)可由Courtaulds Advanced Materials of Great Coats Crimsby,SouthHumberside,England提供。根据图4方法用两个OPF交叉折叠层形成的最小距离约为6.5-7.0毫米，所用的刺针是编号15×18×36×3.5C333G1002，由德国的Groz-Beckert公司提供。其刺入深度为大约6.5mm时纤维层刚开始连接在一起，而在大约7.0mm深度时则完全连接在一起。该实施例的OPF纤维几乎没有弯曲且具有很光滑的表面。最小距离取决于纤维层的特性以及在形成纤维预成形结构中所用的针刺工艺，且根据经验确定。

转移深度必须具有一定的可靠性，以便定量永久性纤维转移，如图3所示，相对于上层40a测定纤维转移深度，再参见图2，在针刺加工期间，最好相对于处于刺针14下面的外露表面44的估算表面位置92测定纤维转移深度。在针刺期间，外露表面44离开刺针，这是由于当纤维结构经过针刺区32时至少部分压实上层40a。根据优选的实施例，每次针刺的估算的表面位置这样来确定，即通过测定外露表面44的预针刺的表面位置94、外露表面44的针刺后的表面位置96然后按比例平均预针刺的表面位置94及针刺后的表面位置96来确定针刺过程中的估算表面位置92。

如图1所示，在纤维预成形结构于刺针14下经过针刺之前，用具有表面随动装置100的第一转换器98可以有效地测定预针刺的表面位置94，表面随动装置100跟踪外露表面44的位置。当纤维预成形结构在刺针14下经过针刺处理以后，用具有表面随动装置104的第二转换器102可以有效地测定针刺后的表面位置，表面随动装置104跟踪外露表面44的位置，来自第一转换器98和第二转换器102的表面位置信息通过转换器线路106及108被送到控制器28中，然后，控制器28处理该信号并测定在针刺过程中每一点的估算的表面位置。

用基本相似的方法通过预先形成基本相同的纤维预成形结构、以及在形成基本相同的纤维预成形结构期间通过测定预针刺的表面位置94及针刺后的表面位置96，也可以测定预针刺的表面位置94、针刺后的表面位置96以及此后估算的表面位置92。图6和8，将会对这方面作更详细的说明。

现在参见图5A-5D，说明根据本发明一个方面的工艺，该工艺用于形成一种纤维预成形结构，具体步骤是开始将两个纤维层108及110连接在一起，再向上面加入附加的纤维层112、114、及116，将这几个纤维层连接在一起。如图5A所示，首先，对放置在位于多根刺针14下面之基板12上的两个纤维层108及110进行针刺，如前面所述，纤维层108、112、114、及116中的每一层都含有被轻轻针刺在一起而成为一个连接在一起的纤维层的三个单向的OPF纤维分层。基板12用金属制成，最好开有使刺针14可以穿刺进去的孔。在图5A-5D中示出刺针14都处于其最靠下的移动位置。在图5A中，当基板12按箭头118方向驱动时，在第一针刺的过程中，纤维由纤维层110中被永久性地转移，经过纤维层108而进入基板12中。带孔的基板如基板12根本不会夹持被转移的纤维，由此该针刺过程不会使纤维层108及110产生充分的压实，所以，预针刺的表面位置94与针刺后的表面位置96基本相同，这是一种惊奇的发现。

在图5B中，当基板沿着箭头120的方向驱动时，在第二针刺的过程中，加入附加纤维层112，并将其针刺到纤维层108及110上。此时，纤维层108及110开始压实，预针刺的表面位置94位于针刺后的表面位置96之上，产生估算表面位置92。在图5C中当基板沿着箭头122的方向驱动时，在第三次针刺的过程中，加入另一个纤维层114，并将其针刺到纤维层108、110及112上。纤维层114被压实，而纤维层108、110及112被更进一步压实。在图5D中基板沿着箭头124的方向驱动，在第四次针刺过程中，加入又一个纤维层116，并将其针刺到纤维层108、110、112及114上。顶层纤维层116被压实，而纤维层108、110、112及114则经过更进一步的压实。这样，至少由于在顶层中的压实和顶层纤维之下一组纤维层内的压实，被刺针刺进的外露表面在针刺期间会离开刺针。在有些针刺过程中，前后两次针刺时基板驱动的方向可以不同，任何一种这样的改变都属于本发明的内容。

代表图5A-5D针刺过程中表面位置与针刺次数之间关系的实施例如图6所示。第一次针刺表示图5A，此时，将两个纤维层放置在刺针下面，预针刺的表面位置几乎与针刺后的表面位置相同，从第二次针刺开始，在每次针刺之前加入另外一个纤维层，第二次针刺代表图5B，在刺针下面放有三个纤维层，如图6所示，这三个纤维层开始压实。在与图5C及5D相对应的第三及第四次针刺过程中，加入附加纤维层，而且还图示出了在第五及第六次针刺过程中加入另外两个纤维层的数据。图中表示了每次针刺步骤的估算表面位置，基本上是每次针刺的预针刺的表面位置与针刺后的表面位置之间的平均位置。还示出了每次针刺的压实因子F，该压实因子表示任何一次针刺后的厚度的修正，而且用于确定相对于针刺后的表面位置的估算表面位置。这样，在顶层纤维层及下面几个纤维层中作为压实的补偿就用压实因子表示。根据一个优选的实施例，用纤维结构的预针刺的厚度与纤维结构的针刺后的厚度之差值除以2，就可以计算出某次针刺的压实因子。在控制或表示整个纤维预成形结构厚度上Z-纤维分布特性的加工过程中，可以使用压实因子。以下根据图11和公式7及8将会对本发明的这一方面内容作更详细的说明。

图7A-7D示出了表示本发明另一个方面内容的又一个方法，在图7A-7D中示出了多根刺针14靠在其最下的移动位置，在图7A中，将纤维层128放在位于多根刺针14之下的基板12上，基板12用金属制成，并且冲有可以使刺针14刺进的孔。将另一纤维层130放在纤维层128上，如前所述纤维层130含有被针刺在一起而成为一个连接在一起的纤维层的三个单向OPF纤维分层。纤维层128是由Morris等人中请的EP0530741A1号申请所介绍的一种800g/m2的预针刺的冲孔空气法纤维网，在图7A的第一针刺之前，纤维层128约为8-13毫米厚，纤维层130约为3毫米厚，这样，纤维层128的预针刺的厚度比纤维层130的预针刺的厚度大很多，当基板12沿着箭头138的方向驱动时，在第一针刺过程中，将纤维层130针刺到纤维层128上。

还是参见图7A，在第一针刺期间，纤维层128及130被压实了很大的量(这与图5A的纤维层108及110不同)，从预针刺的表面位置94到针刺后的表面位置96发生了很大变化，在第一针刺期间，纤维层128中的压实是由于几个因素引起的，纤维层128由短纤维组成，当用美国材料实验标准(ASTM)D1440时，短纤维平均长度为25毫米或更短，当对该纤维层进行针刺时，该纤维层不具有太多的弹性特性。换言之，由刺针14从纤维层128中转移出去的或转移到该纤维层内的纤维被永久性地转移，因为该纤维是短纤维，而且几乎不可能拉回到其起始位置上，纤维层128也很厚，足以使永久性纤维转移完在该纤维层内起始和终止，还有，纤维层128很厚，足以夹持从纤维层130中转移的纤维，最后一点，由于纤维层128厚，而且具有较少的纤维容量(单位体积的纤维量)，所以更易于压实，另外它没有事先经过大量针刺。

在图7B中，加入附加纤维层132，当基板12按箭头140的方向驱动时，在第二针刺期间将附加纤维层132压实，而纤维层128及130被进一步压实，这样，这几个纤维层的混合压实导致由以预针刺的表面位置94向针刺后的表面位置96以及估算表面位置92改变。如图7C和7D所示，当基板12分别沿着箭头142及144的方向驱动时，在第三及第四次针刺中加入并针刺附加纤维层134及136，这些针刺过程使原先针刺过的纤维层进一步压实。在针刺期间，由于至少在顶层纤维层中的压实，和由于至少在位于顶层纤维层下面的一组纤维层内的压实，所以，有刺针刺进的外露表面再次离开刺针。

代表图7A-7D针刺过程中表面位置与针刺次数的实施例如图8所示。第一次针刺表示图7A，此时，将两个纤维层放置在刺针下面，如图8所示，第一针刺产生由预针刺的表面位置到针刺后的表面位置的相对大的变化。从第二次针刺开始，在每次针刺之前，加入另一纤维层，第二次针刺代表图7B，此时将三个纤维层放在刺针下面，如图8所示，由预针刺的表面位置到针刺后的表面位置的变化比前面的针刺步骤的小。在与图7C和7D相对应的第三、四次针刺中加入附加纤维层，在第五到十次针刺过程中加入6个纤维层的数据也在图8中示出了。每次针刺步骤的估算表面位置如图所示，它基本是每次针刺的预针刺的表面位置与针刺后的表面位置之间的平均位置，图中也示出了压实因子，需要注意的是，图8中压实因子与图6中压实因子具有相当不同的趋向。

实验表明，只要纤维结构基本相似，而且采用基本相类似的方法制成，如图6及8所示，估算表面位置与针刺步骤和压实因子从一个到下一个纤维预成形结构就不会变化很大，所以，可以从前面建立的关系得出估算表面位置和压实因子，在这种情况下，通过用基本相似的方法先形成基本相似的纤维预成形结构以及确定在形成基本相似的纤维预成形结构过程中估算表面位置，可以确定该关系。图6和8表示这种在先确定的关系，它完全可以用于制备其它基本类似的纤维预成形结构。

有多种原因可以导致压实变化，图5和6包括在第一针刺期间开头两个纤维层没有产生很大压实的情况在随后的针刺期间这两个纤维层出现压实。图7和8指的情形是，开始两层中的一层纤维层比较厚并且在第一针刺期间就被压实，而且在随后的针刺期间又继续压实。本发明的针刺方法易于变通足可以兼顾这两种情形，而且，本发明的应用不仅限于这些实施例。可以根据纤维层的特性以及特定的针刺工艺与机械设备采用不同方法产生压实，而且要根据本说明书公开内容所提出的原则进行考虑。还有，图5-8表示由用冲孔基板所形成的纤维预成形结构得出的结果，该冲孔基板不会夹持转移的纤维，如前所述。用泡沫塑料或直立的刷毛制成的基板可以较有效地夹持转移的纤维。但是，某些压实作用仍会发生，而且可以根据由本说明书公开内容提出的原则进行压实。任何一种这类变化都属于本发明的内容。

根据本发明的另一个方面，对每一组纤维层中每一纤维层的永久性纤维转移可以进行定量。不过，在实施本发明的时候，不必对每一纤维层转移的纤维进行确认精确数量。所谓“精确数量”是指对于每一纤维层而言，从该纤维层永久转移之纤维的确定量，或者从该纤维层转移之纤维的数量或者类似定量。根据本发明，提供一种方法用于对每一层的纤维或在针刺过程的每个阶段产生一种转移效率与生成Z-纤维进行比较，这是一个很大的优点，因为，当针钩穿刺纤维时，要跟踪并确认在特定针钩中载上或掉下的纤维就目前而言是极其困难的。例如，为了说明本发明，在此讨论纤维层以及针刺过程，在刺针刺入外露表面后，某个刺针上的针钩几乎立即就完全载满纤维。当针钩进入下面几个纤维层时，由于纤维断裂，针钩卸下一部分纤维，当纤维卸下时，针钩从其所穿刺的纤维层中接触到更多的纤维。所以，图3的Z-纤维束66中的大部分纤维来自纤维层40a，而一小部分则来自纤维层40b和40c。确认Z-纤维束中来自某个纤维层的纤维的精确数量是需要的，但在实施本发明时只要能用一定方法定量由某个给定纤维层永久转移的纤维，则没有这个必要。

根据本发明的一个方面，按如下方法定量永久性纤维转移。再参见图3，当每一个针钩穿刺某一给定纤维层时，它就参与这组纤维层中的给定纤维层的一定量纤维接触。对于某一给定刺针上的每一个针钩，该纤维量一般是不同的，每根刺针14接触并转移一组纤维层中某一给定纤维层上的一定量纤维，这是每一个经过这一纤维层的针钩接触该纤维层上纤维的总量。例如，在一个确定的优选实施例中，如前所述，每一次针剌中的顶层纤维层都含有被针刺在一起成为一个连接在一起的纤维层的三个交叉折叠单向OPF纤维分层，刺针为编号是15×18×36×3.5C333G1002刺针，由德国的Groz-Beckert公司提供。在该实施例中，在某一给定针刺期间，第一针钩68挂住该纤维层转移纤维量的70％，第二针钩70挂住该纤维层转移纤维量的25％，第三针钩72只挂住该纤维层转移纤维量的5％。按照目前的理解，由刺针加工厂进行的试验结果表明，彼此间隔刺针距离更大的其他针钩不会象本方法过程中那样有效地挂住和转移纤维。还有，由于在每根针钩进入顶层纤维层时几乎立刻就挂住纤维，所以在这一针刺过程中，被某一给定刺针转移的大部分纤维来自顶层纤维层。如在前面关于图3所述，当针钩穿刺纤维结构时，会卸下部分纤维，并从其他纤维层上带上新纤维。不过，对所有针刺过程或所有类型的纤维层，不都属于这种情况。纤维转移特性与纤维层、特定针刺方法以及机械设备的性能有关，对于每一体系都应根据经验确定。

从某一给定纤维层如顶层纤维层40a上永久性转移之纤维的量用以下计算方法进行近似计算，它为每一针钩挂住且经过该纤维层至少最小距离的纤维总量。例如，针钩68从顶层纤维层40a穿过转移距离52，大于该纤维层的最小距离50。因此，由针钩68从纤维层40a上转移的任何纤维就成为永久性转移纤维。针钩70从顶层纤维层40a穿过的一定距离，由下列公式计算：D12=D11-d1公式(1)其中，D12是第二针钩70穿过纤维层40a的距离，D11是第一针钩68穿过顶层纤维层40a的距离(D11=转移深度52)，而d1是第一针钩68与第二针钩70之间的距离71。如图3所示，D12也大于纤维层40a的最小距离50，这就是说，第二针钩70从纤维层40a上转移的所有纤维都成为永久性转移。针钩72穿过顶层纤维层40a的距离按以下公式进行计算：D13=D11-d1-d2公式(2)其中D13是第三针钩72穿过纤维层40a的距离，D11是第一针钩68穿过上纤维40a的距离(D11=转移深度52),d1是第一针钩与第二针钩70之间的距离，d2是第二针钩70与第三针钩72之间的距离。D13大于纤维层40a的最小距离50，就是说，第三针钩72从纤维层40a上转移的所有纤维都成为永久性转移。所以，由于D11、D12及D13都全部大于最小距离50，用刺针14从纤维层40a上挂住的以及转移过的100％的纤维被永久性地转移。该实施例就是根据前面所讲的第一针钩为70％、第二针钩为25％以及第三针钩为5％的部分纤维量估计而得出的。

类似的计算方法可用于纤维层40b，其中D21是转移深度54，计算公式如下：D22=D21-d1公式(3)D23=D21-d1-d2公式(4)其中D21是针钩68从纤维层40b中穿过的距离(D21=转移深度54)，D22是第二针钩70从纤维层40b中穿过的距离，D23是第三针钩72从纤维层40a中穿过的距离，d1是第一针钩与第二针钩70之间的距离71，而d2则是第二针钩70与第三72针钩之间的距离73。通过对该实施例进行的这些计算显示，所有三个针钩穿过的距离都大于纤维层40b的最小距离，即是说，由刺针从纤维层40b中挂住的以及转移的100％纤维被永久性地转移。用下算式对公式1-4进行定义：DNB=DN1-Σn=2Ndb-1;B≥2]]>公式(5)其中N表示由第一针钩68穿刺过的给定纤维层(当为顶层纤维层40a时，N=1；当为纤维层40b时，N=2；当为纤维层40c时，N=3,……),B代表位于转移纤维之刺针上的特定针钩(当为刺针上第二针钩时，B=2；当为刺针上第三针钩72时B=3，以此类推……)，DNB是特定针钩相对于纤维层N穿过的距离，db-1是沿刺针从一个针钩(b-1)到下一个针钩(b)的距离。这样，用这些公式就可以对第一针钩穿过多少纤维层进行计算，也可以对位于挂住并转移纤维之刺针上的每一个针钩进行计算。不过，没有必要对其它组纤维层进行计算，因为，纤维不会从其他组纤维层中被永久性转移。公式5只适用于B≥2的情形，因为当刺针上只有一个针钩时，就没有必要确定其它针钩的转移的深度。

对纤维层40c(n=3)进行计算且转移深度56为D31时，可发现D31和D32都大于最小距离50，但D33则小于该最小距离，所以，由第三针钩72从纤维层40中挂住的纤维不会被永久性地转移，而由第一针钩68和第二针钩70从纤维层40c中挂住的纤维就被永久性地转移。用刺针从纤维层40c中挂住到的纤维只有95％被永久性地转移(第一针钩的70％+第二针钩的25％)，由第三针钩72从纤维层40c中挂住的纤维有5％且没有被永久性地转移。如上所述，对于永久性纤维转移的这些估计取决于特定的刺针，纤维层性质以及针刺工艺。该实施例的方法使用了百分比70％,25％以用5％，而本发明不仅受限于这三个百分比含量。

重要的是应理解，这样定量每个纤维层永久性纤维转移，而不用明确每个纤维层中永久性纤维转移的精确量。本说明书中永久性纤维转移的量是指刺针从给定纤维层中在刺针行程底部而挂住的已经变成永久性转移的纤维百分比(或任何相同的数值如分数)。很容易预见，用其它方法也可以使永久性纤维转移的量变成可定量的。例如，如果用于对每个纤维层精确定量的有效方法是可行的，采用每层的精确数量就是理想的。

还是参见图3，从相对于顶层纤维层40a的转移深度52可以得出40a至40f每个纤维层的转移深度54、56、58、60、62及64。根据一个优选的实施例，如上所述，相对于顶层纤维层40a的估算表面位置可以确定转移深度52，最好的办法是估算表面位置为预针刺的表面位置与针刺后的表面位置的平均值。接着确定位于刺针下面每一个纤维层的针刺后的厚度。用转移深度52减去放置在给定纤维层上面的每个纤维层的厚度从而由转移深度52确定该给定纤维层的转移深度，例如，从转移深度52中减去纤维层40a的厚度，可以确定出纤维层40b的转移深度54；从转移深度52中减去纤维层40a及40b的针刺后的厚度，可以确定出相对于纤维层40c的转移深度56。这样，根据下列公式，用离开项层纤维层40a的转移深度52就可以计算出相对于任何给定纤维层的转移深度：DN1=D11-Σn=2Ntn-1;N≥2]]>公式(6)其中N表示位于顶层纤维层40a(N=1)下面由第一针钩68穿过的给定纤维层(N=2，表示第二纤维层40b；N=3，代表第三纤维层40c；N=4，为第四纤维层40d…………),DN1是纤维层N的转移深度，D11是顶层纤维层40a的转移深度(转移深度52)，而tn-1是位于纤维层N上面每一纤维层的厚度。对于由第一针钩68穿刺的许多层可以进行重复计算(图3中示出7层)，不过没有必须进行对该组纤维层(图3中为纤维层40a-40c)以外的纤维层的计算，因为，纤维不会从该组纤维层以外的纤维层中被永久性地转移，该公式是根据第一针钩68相对于顶层纤维层40a转移的距离计算的，附加针钩相对于每个纤维层的移动距离可以根据公式1-5算出来。

另外，第一针钩从每个纤维层中的转移深度可以按下式进行计算：DN1=D11-F-Σn=2Ntn-1;N≥2]]>公式(6a)其中变量与公式6中的相同，F是针刺的压实因子，该公式计算分纤维层相对于纤维预形成结构外露表面之针刺后的位置的转移深度。公式6提供转移深度的可接受估计量，而公式6a则更精确，尤其是用于计算具有较大压实因子的顶层纤维层。如前面所提到的，800g/m2空气法纤维网是具有较大压实因子之纤维层的一个例子。

如果纤维层基本相似，对于每次针刺后的厚度可以按照含有该针刺所在的纤维结构的一组纤维层的平均厚度进行计算。如图5A-5D所示，当使纤维层经过附加针刺以及当加入附加纤维层时，该组纤维层的厚度可以改变。纤维层的数目与平均纤维层厚度之间关系的示例如图9所示(开始为两层)。图9是一条压实曲线。在每次针刺之前，向纤维结构上加入一个纤维层，如图所示，随着纤维层数(及针刺数)的增加，平均厚度下降，这种趋势是由下列事实造成的：由于几次后续针刺，含有纤维结构的先被针刺的纤维层继续压实。当加入附加纤维层时，这些纤维层进一步压实。

从一个如图9所示的曲线，通过按照基本相似的方法形成一种基本类似的纤维结构，以及通过确定在形成基本相似的纤维结构期间的平均厚度，可以得出在针刺过程中每一点上含有纤维结构的平均厚度。然后，可以将该计算结果用于形成后续纤维结构，而不用实际地确定针刺过程中的平均纤维层厚度，这种方法大大地简化了工艺，可以将如图9所示的一条曲线编制程序，存入如图1所示控制器28的控制器内。

在实施本发明的过程中，可以使用单个纤维层的厚度，而不是平均纤维层厚度。通过测量每次针刺后纤维结构的切下部分，可以确定多次针刺后(如图7A-7D所示)的纤维层128的厚度，该厚度如图10所示，曲线Ⅰ开始为预针刺的厚度(在第一次针刺之前)。曲线Ⅱ表示象纤维层128这样的当其在针刺过程中处于较后位置上被针刺到一种基本上为一纤维结构上时的空气法纤维网的厚度，要说明的一点是，空气法纤维网压实有大的不同，这取决于在针刺工艺中使用纤维层的位置。

如该图10所示，象纤维层128这样的厚层结构的压实可以连续地经由多次针刺。若不考虑这种用于压实，就会在整个的纤维预成形结构上与理想的Z-纤维分布有明显的不同。如果在该纤维结构中任意一层与其它层有明显的区别，则需要对单个的纤维层进行表征。再者，在构成预先形成的纤维预成形结构期间可以确定图10那样的一条曲线，并且在随后形成实际上类似的纤维预成形结构期间可以采用这条曲线。只要加工工艺基本上类似的话，在形成一个纤维预成形结构和形成另一个纤维预成形结构时，该曲线不应该作明显的改动。

一次以上的针刺可以将纤维从一给定层永久地置入到一组纤维层中。因此，这样一种技术是所希望的，即，可以确定从一给定层永久地转移的纤维的累计量。根据本发明的一个方面，在一给定的针刺期间，当每个针钩穿过一层纤维的时候，每一针钩会携带一定量的纤维从一给定的纤维层进入针钩穿过的那层纤维所在的一组纤维层中。与如前面所述的那样，在针刺期间，从一给定纤维层永久地转移的纤维量，可以这样估算，即，累计每一个针钩从该层夹持纤维的数量，其中针钩离其夹持纤维的那一层的行程应至少为所述的最小距离。从给定纤维层永久转移的纤维的累计量是根据永久地从该层转移纤维的针刺步骤的累计量来估算的。从给定纤维层永久转移的纤维的累计量通常采用如图11所示的图表来估算的。

在图11中，在表的左侧，沿垂直轴记下针刺次的数。在表的顶端，沿水平轴记下具有纤维结构每一针刺的纤维层的数目。从第一次针刺的第1和第2层起，共计有32层被针刺在一起。层1和32为800g/m2的空气法纤维网，而层2-31各具有3个OPF纤维的交叉重叠的单向的纤维分层，这些纤维层经针刺在一起而形成一连接在一起的纤维层，如前面所述。从针刺2到31，在每一次针刺之前，加一层纤维层，接下来是3个退缩的针刺WO1,WO2和WO3(其中纤维结构被降低和进行不加纤维层的针刺)，在表的右面的第1栏中，第一次针刺时相对于初始基板位置的基板位置以“δ”来表示。在标有“δi-δi-1”的栏目中，示出了相对于先前的针刺过程每一次针刺后基板位置的变化。如图2所示，许多刺针14在行程160的一固定范围内被往复地驱动，而纤维结构被设置在基板12上并被按箭头34的方向移动。基板12的垂直位置是这样控制的，使基板向这些刺针移动时纤维的转移深度得到增加而使基板向远离这些刺针移动时纤维的转移深度得到减小。

在每一次刺针后，纤维结构的总厚度示于标有“T”的栏目中。纤维层1(空气法纤维网)的厚度被确定下来，以用于每次针刺的穿刺，该厚度示于标有“tair”的栏目中，该厚度是通过测量纤维预成形结构的被割开的部分而被确定的。它也可以如前面参照图10所述的按照预先建立的关系来确定。在穿刺后，用于每一次刺针的纤维层的一个平均厚度是这样确定的，即，将T减去纤维层1(空气法纤维网)的厚度再除以包括纤维结构的纤维层的层数即可。平均纤维层厚度tave，如标有“tave”的栏目所示。第一个针钩相对于用于每一个刺针穿刺的顶层的转移深度如标有“实际的D11”(“Actual D11”)的栏目所示，并且按照下列等式计算：D11=P0-c+T+F-δ                          公式(7)其中D11是第一针钩相对于顶层的转移深度，δ是相对于初始基板位置的基板位置(正的δ表示一种远离刺针的运动)，P0是当δ=0时的初始的刺针穿入深度，T是每一次针刺后总的纤维结构厚度，c是第一针钩和刺针针尖部之间的距离，而F是压实因子。图11中所有线性的尺寸都以毫米mm计。参照图12,P0定义为在第一次刺针穿刺时当δ=0时基板的项部和刺针针尖之间的距离。如图12所示，当针尖位于基板的下面时P0是正的，而当针尖位于基板的上面时其值为负的。针尖与第一针钩之间的距离c以及总的针刺后的纤维结构的厚度T也作了图示。

用于每一次针刺的压实因子F也按照图8确定，这样，一次给定的针刺的针刺后的表面位置可以由基板位置δ和针刺后的厚度T来确定而在针刺期间的估算表面位置是通过将压实因子F加到针刺后的表面位置来确定的。

为进行这种针刺工艺，如按照图4所描述的工艺确定的那样，取得永久纤维转移的最小距离大约为7mm。因此，为了永久性地转移由所有三个针钩挂上并从给定纤维层处转移的纤维，所有三个针钩不得不自一给定层的上部边界处移动至少7mm。在该工艺中采用了这种刺针，其第1个针钩与第2针钩相隔1.06mm，而第3针钩与第2针钩相距1.06mm，因此，为了借助刺针使离开给定纤维层的由所有3个针钩挂住的纤维获得100％的永久性转移，第1针钩就应超过给定层的上部边界移动至少9.12mm(7mm+1.06mm+1.06mm)。图11中，如前所述，可以设想为，第1针钩转移70％的纤维，第2针钩转移25％的纤维，第3针钩转移5％的纤维。在该处，公式式1-6可以用来计算给定的刺针过程从每个纤维层永久性地转移的纤维量。然而，下列表格可以用来减少计算的次数，即只关注第1针钩相对于每一纤维层的转移深度即可：表1从一给定纤维层n的永久性转移％第1针钩的纤维转移深度100    Dn1≥9.1295     9.12＞Dn1≥8.0670     8.06＞Dn1≥7.0025     7.00＞Dn1≥6.500            Dn1＜6.50其中，用于每一纤维层的Dn1被按照公式6计算出。表1略去了对于每一单个的针钩的转移深度的计算。公式6中，在各针刺步骤中，在纤维层n是一种交叉铺层的纤维层的情况下，一给定针刺过程的平均纤维层厚度tave被用于该针刺过程的tn值的计算，而在纤维层n是一种空气法网纤维层的情况下，tair被用于tn值的计算。

还参见表1和第1范围的转移深度(Dn≥9.12)，所有3个针钩都穿入足够的深，以便100％的纤维被永久性地转移(70％+25％+5％)。在第2个范围中(9.12＞Dn≥8.06)，由于只有第1和第2针钩穿入实现纤维转移的足够深度，因此，只有95％的纤维被永久性地转移。在第3个范围中(8.06＞Dn≥7.00)，由于只有第1个针钩穿入到实现纤维转移的足够深度，因此，只有70％的纤维被永久性地转移。这些范围从前述的针刺条件和图11的纤维预成型结构的纤维层状材料的情况易于推导出来。第4个范围，即25％的永久性纤维转移，反映了按照图4工艺，顶层被部分地，而不是全部地接合到相邻层的一个中间范围。如参照图4所述的那样，顶层以大约6.5mm的一个转移深度开始连接，并以7.0mm的转移深度完全连接，因此，以一个增加0.5mm的转移深度，该工艺明显出现了从无连接制到完全连接的过渡。反映这种过渡范围的永久性纤维转移量的较低增量包括25％的范围。如表1这样的一种表可以用于构成任意一种的针刺工艺和任意类型的纤维层。然而，由于这些原则可以应用于几乎任何一种纤维层状材料和针刺工艺，因此，本发明不限于表1的范围。

下面的实施例示出了按照图11确定永久性纤维转移的累计量的方法。图11中，Po为10.60mm而C为6.36mm。如根据公式7(10.6mm-6.36mm+12.07mm+1.0mm-3.8mm)计算的那样，第5次针刺具有离顶层为13.51mm的一个转移深度，该深度大于9.12mm,9.12mm的深度表示，从顶层(即第5次针刺的纤维层6)转移的100％的纤维为永久性纤维转移。因此，＂100″出现在第5次针刺的纤维层6的一列中。从纤维层4的转移深度D21为11.8mm(13.51mm-1.70mm)，该深度大于9.12mm，这表明在第5次针刺期间，从纤维层5转移的100％的纤维为永久性纤维转移。因此，＂100″出现在第5次针刺的纤维层数为5的纵列中。纤维层数为4的纤维转移深度D31为10.11mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm)，它比9.12mm大，这表示在第5次针刺期间，100％的纤维从层数为4的纤维层中作永久性的纤维转移。因此，＂100″出现在第5次针刺的纤维层数为4的纵列上。纤维层3的纤维转移深度D41为8.41mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm)，该值较9.12mm小，而大于8.06mm，这表明在第5次针刺期间，从纤维层数为3的纤维层中作永久性转移的纤维有95％。因此，＂95″出现在第5次针刺的纤维层数为3的纵列上。纤维层数为2的纤维层的转移深度为6.71mm(13.51mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm-1.70mm)，该值小于7.0mm而大于6.5mm，这表明从纤维层数为2的纤维层作为永久性转移的纤维占25％。因此，在第5次针刺的情况下，有5层纤维层为一组(2-6)。对于所有次的针刺来说，都重复这些计算，每一次针刺的转移量被列入所述的表中。在做了这些工作之后，每一层纤维的纤维转移的累计量通过累计出现在每一层的纵列栏上的所有永久性纤维转移量来计算。例如，纤维层数为4的纤维层所获得的永久性纤维转移量值在第三次针刺期间为100，在第四次针刺期间为100，在第五次针刺期间为100，在第六次针刺期间为95，在第七次针刺期间为25，而在该行列的底部总计为420。每层纤维层的永久性纤维转移的累计值称为永久性纤维转移的累计量(CQT)。当纤维以至少2次针刺从一层纤维层被永久性转移时，CQT量出了每一层纤维层作为永久性纤维转移的总量。

纤维层1的厚度可从图10的曲线Ⅰ获得，纤维层32的厚度可由图11的曲线Ⅱ获得，因为这两层都是空气法纤维网。注意这些层的压实不同，因为它们是在该工艺中不同点被加上的。这样，本发明是易于变通的，并且可以补偿出现在整个该工艺中的不同的压缩(实)特性。

所有纤维层的CQT以一行的形式标明在沿图11的标有“实际的CQT”(＂ActualCQT″)的行列的底部的地方。注意，总体上，CQT是从纤维层3处的高值465减少到纤维层32处的低值200。在形成制动盘的时候，在得到相互间隔的两相对耐磨表面的致密工艺期间或之后，好几个纤维层都被去掉了。两耐磨面(WS)的CQT在图11中作了标示。一个表面的CQT大约为另一个耐磨表面的CQT的两倍(420/220)。这种非均匀性已由图11表征的纤维结构的内连层剥离试验所证实。将纤维层剥离所需的力随着CQT的减少而减少，这是遵循这样的一事实，即CQT是对Z纤维的永久性转移的数量化。较高的CQT表明有较多数量的Z-纤维，而Z-纤维可以代表纤维层的连接性。因此，较多的Z-纤维相当于较大的内连层剥离力。

该工艺方法还进一步包括这样一个步骤，在该步骤中，操纵控制该针刺工艺，以产生一各纤维层的已选择的CQT。选择用于包括纤维预成型结构的每一纤维层的CQT值是按照最终纤维预成形结构的理想特性作预成形设计的一个主题，这不属本发明的部分。下列的公式8可以用来获得每层纤维的永久性纤维转移的理想量值：δi=P0-C+Ti-1+Wi-D11i公式(8)其中δi为用于当前针刺过程Ⅰ的δ,Ti-1为根据预针刺过程Ⅰ-1的纤维结构的总厚度，Wi为一预测因子，D11i为当前针刺的理想的转移深度D1。预测因子Wi为跟随当前针刺的顶层设计厚度和针刺的设计压实因子的累计计量。

利用公式8来在一纤维预成形结构中获得用于每一层纤维的一理想的CQT值有两种可能的途径。在某些情况下，每一次针刺的转移深度D11i是已知的，该转移深度将产生一用于每层纤维层的理想的CQT值。在构成一类似的预成形结构期间，与已知的转移深度在D11i相当的转移深度D11i可以产生用于每一纤维层的类似的CQT值。可以这样来形成将产生一用于每一层的理想的CQT值的已知转移深度，例如，应用公式7以及至此讨论的与本发明有关的原理，来表征由特别工艺形成的一纤维预成型结构，并确定用于每一针刺的转移深度和由此得到的用于每一层的CQT值。前面已经借助图11和用公式7很详细地描述用来表征一预成型结构中用于每一次针刺的D11和每一层的CQT值。图11中，在“理想的D11值”值的栏目中以及在＂理想的CQT值″的一行中已标示出了可从一预先构成的纤维预成型结构获得的数据的示例。

一种其＂实际的D11”转移深度和“实际的CQT”值基本上与“理想的转移深度D11”和“理想的CQT”值类似的预成型结构可按如下构成。用公式8来计算每一次针刺的δi。首先，确定预测因子Wi。根据一优选的实施例，用于一给定针刺过程(Ⅰ)的Wi由预针刺过程(Ⅰ-1)获得的数据而导出。最好，在当前层(Ⅰ)基本上与先前层(Ⅰ-1)相同的情况下，Wi可以通过累加tavei-1和Fi-1而获得。另外，尤其是当各层基本上不相似的情况下，可以采用图8和图10中示出的曲线导出用于一给定针刺过程的F和层厚。再参见图11并作为一个实施例应用第五次针刺，按照第四次针刺的数据，通过累加F4(1.0mm)和Tave4(1.91mm)，可以确定W5的值为2.91mm，以用于第五次针刺。因此，根据公式8，采用在第五次针刺用于D115的理想的转移深度14.53mm，则δ5为3.8mm(10.6mm-6.36mm+11.18mm+2.91mm-14.53mm)。然后基板被调节到3.8mm的δ5并且纤维结构受到第五次针刺的作用。

因此，公式8可以用来计算每一针刺的δi。基板被调节到δi且纤维。结构受到针刺作用。如前所述，在完成一给定的针刺过程后，包括用于该针刺的纤维结构的纤维层厚度被确定，而公式7被用来建立用于该针刺过程的实际的转移深度，即可核实该工艺是否在正常进行中。算出的用于每次针刺过程的实际的转移深度标示在标有“实际D11”的栏目中，这已经作过详细的描述。

图11的底部示出了实际CQT与用于该工艺的理想的CQT的比较情况。在每次针刺时，实际的CQT值优选在理想的CQT值的±10％的范围内。按照这种工艺来进行预成形结构的成形，使该工艺可以积极有效地对该工艺自身进行调整，以适应在该工艺期间发生的任何变异，并且获得非常接近于理想的Z-纤维分布的实际的Z-纤维分布。

各种变异可以出自于该工艺期间的压实和纤维层层厚的细微的各种变化以及其他一些因素。

根据代表了本发明另一方面的另一方案，在每次针刺时，各层的永久性纤维转移的量值可以被控削，以获得各纤维层的一理想的CQT值。参见图13，其中标示了一种表格，该表被用来形成一种纤维预成形结构，该结构在连接的数个相邻的纤维层上都具有基本上恒定的CQT值。在该例子中，270的CQT值是各纤维层的理想值，它在沿该表的底部的一排中。其中还对各层的实际CQT值作了描述，其值紧接在理想CQT值之后。如前所述，13层纤维层被针刺在一起，每一层都具有三个交错叠置的单向的被针刺在一起而形成一连接在一起的纤维层的OPF纤维分层。对于每次针刺，从每一层作永久性纤维转移的数量可被如下控制。

以将纤维层1和2针刺在一起，即通过使该纤维层受到第一次针刺来开始这种工艺。通过对纤维预成型结构作适当的测量，用公式7来计算出第一次针刺的实际D11为11.12mm，它被表示在图13的最靠右的一栏中。该工艺中，P0为11.0mm而C为6.36mm。最初的用于第一次针刺的基板的设定是依靠判断，它应该足以用来连接各纤维层。初始基板位置δ1优选地产生一个初始的转移深度D111，该深度应合理地深以便足以在第一次针刺期间获得从纤维层1和2的100％的纤维转移而不对纤维层进过度针刺。如前面那样，标有“T”的那一栏是预成形结构的针刺后的厚度，标有“tave”的那样是平均纤维层厚度，该厚度是通过将T除以每次针刺的纤维预成形结构的层数而计算的。压实因子F由图6得到并且也标示在图13中。

从针刺2开始，一理想的转移深度D112被确定下来，该深度足以在一组纤维层中从每一层获得永久性纤维转移的理想数量。按照需要，在各针刺步骤，该组纤维层以及各纤维层的数量都被确定下来，以产生每一层的理想的CQT值。例如，在第二次针刺，由于纤维层3还没有被针刺并且270的CQT值是所希望的理想值，因此，从纤维层3作永久性转移的纤维是100％，而由于在第一次针刺之后纤维层2仅具有100的CQT值且270的CQT值是理想的，因此，从纤维层2作永久性转移的纤维应为100％，并且，由于在第一次针刺之后纤维层1且有仅70的CQT值而270的CQT值是理想的，因此，从纤维层1作永久性转移的纤维应为100％。这些理想的量值可以排列在例如标示在图14A中那样的一个行列中。根据图13的纤维层数显示在图14A的第1栏中。该第2栏N表示如公式1至6中采用的那组纤维层中的一给定的的纤维层。注意，第1栏的纤维层数并不对应于N，因为该组纤维层中，顶层的N总是1。在下一栏中标出了从每一纤维层转移的理想的量值。最后，在最后一栏中示出了这组纤维层中除最低一层的所有纤维层的估算的纤维层厚度。根据优选的实施例，根据先前针刺步骤的平均纤维层厚度被用作该估算的纤维层厚度。因此，3.24mm(根据第一次针刺的tave)显示在纤维层2(N=2)和3(N=1)的深度的栏目中。相对于这一组纤维层中最低层的一理想的转移深度被确定下来并被置于图14A中最低层纤维层的深度的栏目中。在该实施例中由于N=3，该最低纤维层的转移深度为D312。按照一优选的实施例，如表1这样的表格被用来确定理想的转移深度。应用该表格，D312必须至少为9.12mm，以便获得从纤维层数1(N=3)的100％的永久性纤维转移。通过对在图14A中的“深度”栏目中的数目进行累加，可以确定相对于顶层纤维层(N=1)的转移深度D112为一理想的值15.60mm。用于每一次针刺的理想的转移深度D11显示在图13的“理想的D11”栏目中。用于每次针刺的理想的转移深度D31显示在图13的“理想的D31”栏目中。

然后，该估算的转移深度D112被用于公式8中，以便确定用于第二次针刺的基板的设定。根据一个优选的实施，公式8中的Wi可以如前所述参见图11和公式8，将tavei-1和Fi-1l累加而确定。对于第二次针刺，W2为3.24mm，而δ2为-1.2mm(11.0mm-6.36mm-6.48mm+3.24mm-15.60mm)，基板的位置δ2为负数表示在第一次针刺时，相对于初始基板位置朝向刺针移动。该基板被调节到δ2，纤维结构受到第二次针刺的作用。

在针刺作用后，进行适当的测量并用公式7计算出用于第二针刺的实际转移深度D112为14.61mm。用于每次针刺的实际的转移深度显示在图13的“实际的D11”的栏目中。然后按照前面描述的手段计算出作永久性转移的实际量值并将其插入图13中。对于第二次针刺来说，理想的转移深度足以获得所有3层的理想的100％的永久性纤维转移的量值。按照公式6算出的每次针刺的实际转移深度D31i显示在图13的“实际的D31”的栏目中。9.37mm的D312值证实了对于第二次针刺来说，从纤维层1转移的100％的纤维为永久性转移，因为该值大于9.12mm(参见表1)。

对于每次针刺重复这一过程，其实例显示于图14B和图14C中，其中，第三和第四次针刺的理想的转移深度D11被确定下来。这一组纤维层中有3层纤维层，该组纤维层的最低一层(N=3)纤维的理想转移量为用于其余次针刺的70％，因为均匀一致的270的CQT值是所要求的。如表1所需求的那样，70％的最低层纤维层(N=3)的理想量值可以通过确保每次针刺的D31处于7.00mm和8.06mm之间而取得。在每次针刺通过选择大约为7.5mm的理想的D31而获得这一结果。然而，根据图13中明显的转移深度的走向，该数目可以向下限或上限漂移。例如，如果用于给定的一次针刺的实际的D31达到8.6mm，则用于下一次针刺的理想的D31可被移到7.00mm(理想的D31＜7.5mm)。类似地，如果用于一给定针刺的D31达到7.00mm，则用于下一个针刺过程的理想的值可以被朝向8.06mm移动(理想的D31＞7.5mm)。以这种方式，转移深度可以被调节而保留在必要的极限内，以便在每一次针刺时，获得理想的永久性纤维转移的量值。因此，每次针刺的永久性纤维转移量值可以被控制，以获得用于每一层的一个理想的CQT。

还参见图13，注意用于纤维层1的170的实际CQT值明显的低于270的理想CQT值。获取用于第1层的理想的CQT值可能是困难的，但是不重要的，因为在纤维预成形结构的随后的加工期间第1层通常被去除。用于层2至11的实际的CQT值紧跟随理想的CQT值。纤维层12和13的实际CQT值为低值，但在附加随后的纤维层期间或在不添加纤维层的情况下使纤维结构受到退缩的针刺时，该实际值CQT可以被增加到理想的CQT值。

不脱离本发明的各种变型是有可能存在的。例如，图13中各层的理想的CQT值为相同的。然而，理想的CQT的分布可以从一层到下一层而变化。应用这里公开的内容所提供的原理可以获得一种具有任何这样一种分布的纤维预成形结构。进一步地，用于确定Wi的设计纤维层厚度和每次针刺的纤维转移深度D11i都基于根据前次针刺的测量。用其他技术可以确定纤维层的设计厚度，例如，从那些图9和10中所示的曲线，可以导出一给定针刺的设计厚度。类似地，在大致类似的工艺中，在基本上类似的纤维预成型结构的形成期间，给定针刺过程的Wi可通过测定其值而被确定，或根据任意一个其他的在前面描述过的或相当的手段而被确定。

重要的是，应注意针刺任何给定层的影响实际上波及到好几个较下部的纤维层。在图11的13中，在每一针刺步骤中实际上被Z-纤维束穿过的纤维层由虚线示出。小数的表值表明，在那个针刺步骤期间，纤维从一纤维层的部分被转移。因此，对随后一层纤维的针刺则增加了在一下部纤维层中的Z-纤维束的数量。对随后一层的纤维层的CQT值的增加，则会增加一下部层的，早先已针刺过的纤维层中的Z-纤维的数量。

图6、8、9、10和11是基于纤维层和纤维预成形结构的实际厚度的测量而得到的。在这些图中，从一个测量到另一个测量的少量的偏移明显的也是不可避免的。在实施本发明时，精确和重复测量纤维层厚度和纤维结构的厚度是重要的。按照ASTMDI777-64(1995年被再认可)的“测量纺织材料的标准方法”被优选为厚度的测量方法。

根据本发明的又一个方面，Z-纤维束的分布也可以用数量来表示，并且，可以获得一理想的Z-纤维束的分布。再参见图11，通过累计那些使Z-纤维束穿入到一给定层的针刺的数量可以估算穿入到每一纤维层的Z-纤维束的数量。如果在单个针刺期间所产生的Z-纤维束在形成纤维结构的整个过程中都是恒定的，则通过累计在给定栏目中的表值的数量(包括任何一个小数的表值(由于Z-纤维束仅穿入纤维层的一部分所致))，可以估算穿入到每一纤维层的Z-纤维束的数量。图11中，每一纤维层的总数标明在名称为“Zn”的一行中。然后，这样来估算每层纤维的Z-纤维束的数量，即用一次针刺所产生的每单位面积的Z-纤维束的数量乘以Zn即可得到。例如，假定在图11的工艺中每次针刺产生每平方厘米100个Z-纤维束，每一层的Z-纤维数量被标在位于名称为ZpL的那一栏中，在该例子中，其每一层的ZpL值为100乘以Zn。Z-纤维束的数量还可以包括在形成各纤维层的期间所产生的各纤维层中已经包含的任何的Z-纤维束。例如，纤维层2-31可能已经具有每平方厘米50个Z-纤维束，因此对于这些纤维层而言，以这个数量增加了总的ZpL值。如前面讨论的那样，纤维层2-31的每一层都具有3个单向的OPF纤维分层，它们被稍微地针刺在一起而形成一连接在一起的纤维层。纤维层1和32都是空气法纤维网。两种类型的纤维层已经包含了一定数量的Z-纤维束。

现参见图15，按照本发明的一个方面示出了一纤维结构230的一截面图。纤维结构230包括一叠在一起的纤维层集201-224，该纤维层集201-224包括一个第1或上部纤维层组232，该上部纤维层组具有一下部纤维层213和一上部的纤维层224。按照一个优选的实施例，该第1组232具有多个纤维层。纤维结构230还具有一组Z-纤维束集240，该Z-纤维束集240在201-224的纤维层集中的纤维层之间穿过。Z-纤维束优选地用这样一种针刺工艺来生成，即重叠的纤维层在一组刺针的底下通过，这些刺针被循环地驱动穿入纤维层中。如在此所使用的那样，术语“针刺密度”对于给定纤维层来说，是指在那层纤维层中产生的单位面积的Z-纤维束的数量。例如，Z-纤维束319产生于纤维层219中，并且穿入到在下面的纤维层216-218中。为简明起见，在图15中仅示出了由单个刺针产生的Z-纤维束。任何前面描述的针刺工艺适用于实施本发明。优选地，在整个纤维结构的形成中，每一次针刺产生一个恒定的单位面积的Z-纤维束数量，该单位面积表面对于该单位面积内的Z-纤维束来说是垂直的。这可以这样来实现，即使得纤维结构在刺针的下面以一个恒定的速度向前移动，并且以一个恒定的速度(每秒的穿刺次数)循环地驱动刺针穿入纤维结构。然而，重要的是，应该注意到，在纤维结构形成的整个过程中，在给定的针刺期间，单位面积产生的Z-纤维束的数量可以被改变，这种情况可以这样实现，即改变纤维结构前进的速度，和/或改变刺针循环的速度。任何这种变化都应认为是落在本发明权限的范围内的。

图16示出了一种由针刺工艺产生的典型的Z-纤维束。Z-纤维束319产生于纤维层219中，并穿入到下面的纤维层216-218中。一带钩的刺针(未图示)首先渗入纤维层319中并使纤维252产生位移，然后再抽出，因此产生了Z-纤维束319。这些已位移的纤维可以产生在任何一个纤维层216-219中，在图示的例子中，纤维主要是从纤维层218和219被拉下的。Z-纤维束319只是被用来作个代表性的示意，而纤维层230中的其他Z-纤维束也会穿入不同数目的纤维层中，和类似于位移纤维252那样，从多于两层或少于两层的纤维层使纤维产生位移，这取决于不同的因素，这些因素包括纤维的类型和针刺工艺的参数。

再参见图15，第一组232内的每一个纤维层分别具有具有Z-纤维束240的部分313-324并且纤维束穿入下面的纤维层而不穿过所有下面的纤维层。例如，对于纤维层219来说，Z-纤维束319出现在纤维层219中，并且穿入下面的纤维层216、217和218中而不穿入下面的纤维层201-215中。所有纤维层201-224的图示表明，每一纤维层都具有出现在这个纤维层中的Z-纤维束301-324部分，并且该部分穿入下面的纤维层中。第1组纤维层232内的Z-纤维束313-324部分，其穿入纤维层数的情况从下部的纤维层213到上部的纤维层224是增加的。根据一优选的实施例，这种倾向使得每层的Z-纤维的数量在第1组232内相对于下部纤维层213而增加。例如，比较图15所示的纤维层213和221的这两段将发现纤维层213中的Z-纤维束为22束而纤维层220中的Z-纤维束为36束。如图所示，每层Z-纤维数量的增加使得Z-纤维束从上部开始向下延伸从而增加了下部先前已针刺过的纤维层的Z-纤维束的数量。因此，按照本发明的一个方面，第1组232内的每一纤维层213-224都有一定数量的Z-纤维束穿入那一层纤维层中，并且，至少一个纤维层216-220被置于下部纤维层213和上部纤维层224之间并且比下部的纤维层213有更多总量的Z-纤维束，这至少部分地由于下部的纤维层213到上部的纤维层224，纤维层的数量是增加的。

还参见图15，该重叠纤维层集201-224还可进一步包括一具有第2下部纤维层207和第2上部的纤维层212的第2或下部纤维组234。按照一优选的实施例，第2组234被设置在第1组232的下部。第2组234内的每一纤维层具有在该组纤维层内的Z-纤维束240的307-312部分并穿入下面的纤维层，但不是穿入所有的下面的纤维层201-206。Z-纤维束的部分穿入从第2下部纤维层207到第2上部纤维层212逐渐减少的纤维层中。第2组234内的每一纤维层207-212具有一定数量的Z-纤维渗入其中，并且至少一设置在纤维层207和纤维层212之间的纤维层有比纤维层207数量少的Z-纤维束，这至少部分是由于纤维层的数量从纤维层207到第2上部纤维层212是在减少的。例如，纤维层211和207在图15所示的这些层的区段依次各具有21束和29束Z-纤维束。Z-纤维束数量的减少是因为由Z-纤维束穿入的纤维层的数目在随后的针刺期间是减少的，并且Z-纤维束不被转移到下部的先前已针刺过的纤维层，而要是纤维层的数目保持恒定或增加的话，这些Z-纤维束是会被转移的。

根据一个特别优选的实施例，第2组234位于第1组232的下面，并且该纤维层集201-224包括两个外部纤维层201和224，并且好几个中间层202-223置于两个外部纤维层201和224之间。在纤维层集201-224中的每一纤维层具有一定数量的Z-纤维束穿入其中。Z纤维束最多可分布在201～224层之间，最少要分布在202～223之间。这些数目的每层纤维层的Z-纤维束的层挨层的分布，如图15所示可以是以纤维结构230的中心线为对称的。底下的一组纤维层236具有产生于纤维层201-206中的Z-纤维束集301-306的部分。注意，Z-纤维束产生于纤维层201-206之一层中，并且穿入所有下面的纤维层。236组内的纤维层的数目取决于理想的Z-纤维分布。

现在参见图17，所示为一制动盘的径向截面，它具有一环形的纤维结构，且具有两个一般为平的表面244和246，并被一内圆周面250和一外圆周面248所界定。该纤维结构具有类似于图15的Z-纤维分布，因此，两外部区段242较内部区段243具有更多的Z-纤维束。这些纤维层一般平行于该外部的，大致为一平的面244和246。连接基质穿入该环形的纤维结构。两外部区段242相邻于平的面层244和246，而一内部区段243置于两外部区段242之间。在一些纤维层中从一个纤维层上拉拨纤维生成Z-纤维束会降低制动盘中该层的抗拉强度(垂直于针刺的方向)。由于针刺而将连续的长丝弄断成较短的纤维，因此含有一般为连续长丝的纤维层都具有这些特性。这样一种纤维层的抗拉强度随着在针刺期间从该层拉拔的纤维量的增加而降低。在纤维结构230中，外部区段242的Z-纤维束较内部区段243中的Z-纤维束有较长的长度，这即意味有较多的纤维从外部区段242拉出。因此，在垂直于针刺的方向，两外部区段242较内部区段243有较小的抗拉强度。另一方面，在一纤维层中Z-纤维束数量的增加倾向于增加该层的抗机械磨损性。因此，外部区段242较内部区段243有较高的抗磨性。再者，在纤维层间穿过的Z-纤维束数量的增加则会增加制动盘层间的剪切强度，从而，外部区段242还具有比内部区段243更大的层间剪切强度(应牢记随着针刺的增加剪切强度会达到一个最大值，然后又会减少)。因此，图15的穿过厚度的Z-纤维分布提供了一种函数梯度。制动盘238在相邻于平的耐磨表面244和246的外部区段242具有最大的抗磨和抗剪切强度，而在内部区段243又具有最大的抗拉强度。优选地，对于一种特别的纤维结构，针刺工艺以及密实化(压实的)的方法，这种抗拉强度和层间剪切强度特性作为针刺的函数被实验性地确定下来。最后，图15中的Z-纤维分布可以通过改变出现在每个纤维层中的单位面积的Z-纤维数量(针刺密度)而得以增强，该单位面积表面对Z-纤维束来说是垂直的。例如，在232和236组中的纤维层可以受到比在234组中的纤维层更大的针刺密度的加工，这就进一步加大了贯穿厚度的Z-纤维梯度的分布。可以用各种方法来完成对针刺密度的增加，这包括增加针刺期间每单位面积的刺针的次数，和/或使一纤维层受到至少两次针刺而不增加另外的纤维材料。

可以通过已知的适用于摩擦材料的技术将连接基质注入或穿入到纤维结构中。按照优选的实施例，纤维材料由OPF纤维形成并且随后被热解。然后用一种CVI/CVD工艺将一种碳的连接基质沉积在纤维结构中。在本领域，许多实用的CVI/CVD工艺都是众所周知的。采用Purdy等人1994年11月16日申请的待审查的美国专利申请，名称为＂压力梯度式CVI/CVD设备，工艺及其产品″，所描述的工艺，可以将具有一种大致为层状的微结构的碳的连接基质沉积在已热解的纤维结构中。按照该工艺，一碳载反应物气体被强制流入内侧的圆周表面250和平的表面244和246，并流出外侧圆周表面248。该反应物气体可以具有的成份为87％(体积百分比)的天然气和13％的丙烷。天然气具有的成份(按体积百分比计)为96.4％的甲烷，1.80％的乙烷，0.50％的丙烷，0.15％的丁烷，0.05％的戊烷，0.70％的二氧化碳和0.40％氮。该正常的反应气体的流率可以从1/分钟-4/分钟或更高的范围内变化。正常的流率即为反应物气体通过纤维结构的容积流率除以纤维结构的容积(容积流率/单位体积)。该工艺可以在一个压力为10乇，温度为1860°F的密封的反应器中进行。该气体优选地被预热到至少1650°F的温度，然后才被强制流动穿过纤维结构。将纤维结构置于一在反应器内的经密封的结构中，并且仅有外侧的圆周面248被暴露在反应器的压力中，在这种情况下迫使况该反应物气体流动通过该纤维结构。该反应物气体被引入该已密封的结构中，因此产生一压力梯度，按照前面描述的方式，该梯度迫使该气体流动穿过该纤维结构。在紧接外部圆周面248的邻近区域，在邻近平的表面244和246的地方提供一对细环。这使得大部分平的表面244和246被暴露于该反应物气体中。纤维结构可以被叠加起来并相对一个已密封的气体预热器密封。以这种设置，该反应物气体被通过气体预热器引入到反应器中。由Rudolph等人1994年11月16日申请的，名称为＂CVI/CVD工艺所使用的装置″，申请号为08/340,677的美国专利申请公开了几种适用的固定定位装置。一种常规的CVI/CVD工艺可以按照早就这样描述的压力梯度工艺来进行，以便使制动盘达到最终的密度。常规的工艺可以在与该压力梯度工艺相同的条件下进行，不同的是使反应物气体自由地绕纤维结构流动而不是被迫使流动通过该纤维结构。在本领域中，几种适用的用于常规CVI/CVD工艺的固定装置是众所周知的。可以使制动盘在达到其最终的密度之前受到至少一种热处理加工。该热处理工艺增加了碳连接基质的碳化，并且该工艺可以在大约3300-4000°F且没有反应物气体流过的情况下进行。

现在参见图18，其中按照本发明的另一个方面图示了一纤维结构430。纤维结构430具有一叠置的纤维层集401-424，一个第1组纤维层432，和一个第2组纤维层434。纤维结构430类似于纤维结构230，只是第2组434(类似于组234)是上部组，而第1组432(类似于组232)是置于第2组或上部组434下面的一个下部组。第1组432具有一下部纤维层404和一上部纤维层412，并且优选地具有多个纤维层。纤维结构430也具有一在该纤维层集401-424中的纤维层之间穿过的Z-纤维束440集。参见图15，如前所述，优选地，当叠置的纤维层在许多刺针下面被传送时，刺针被循环地驱动插入该纤维层中，由这样的一种针刺工艺产生了Z-纤维束440。为了简明起见，图18中仅示出了由单个刺针产生的Z-纤维束。类似于图15的组236，配置了一个底部组的纤维层组436。

还参见图18，将第一组432设置在第2组434的下面使得一纤维结构具有与图15图示所不同的Z-纤维分布。该纤维层集401-424中的每个纤维层具有一定数量的Z-纤维束穿入到其中。Z-纤维束的数量具有这样一种分布，即在外部纤维层401和424中为最少而在中间纤维层402-423的地方为最多。如图19所示，这种层靠层的每个纤维层的Z-纤维束的数量的分布可以以纤维结构430的中心线为对称。如图15和19所示的对称的分布并不是实施本发明所必须的。另外，本发明的纤维结构可具有任何数量的恒定或变化厚度的纤维层，并且对于每一纤维层来说，由Z-纤维束穿入的纤维层的数量可以按照图15和19所示的那样进行改变而产生各种Z-纤维分布，而这些分布对于本领域的技术人员来说借助在此公开的内容是明显的。任何这种变化都应认为落入本发明权限的范围内。

现在参见图19，其中按照本发明的另一个方面，示出了一种均匀的纤维结构630。纤维结构630具有一重叠的纤维层集601-620，该纤维层集包括一个下部纤维层601和一上部纤维层620。纤维层601和620也被作为最外部的纤维层。一Z-纤维束集640穿过该组纤维层601-620中的纤维层间。该重叠的纤维层集601-620包括一上部纤维层组632和一个在该上部纤维层组下面的下部纤维层组634。Z-纤维束集640接合在该组纤维层601-620中。上部纤维层组632中的每个纤维层606-620具有一个Z-纤维束集的部分706-720该Z-纤维束集出现在该层纤维层中并且穿过数个位于该层纤维层之下的纤维层而不穿过位于该层纤维层之下的所有的纤维层。在上部区段632中由Z-纤维束706-720穿入的纤维层数量是恒定的。数个纤维层的下部组634中的每一层纤维601-605都具有一个Z-纤维束集部分，它们产生于该层纤维层中，并且穿过位于该层纤维层下面的所有的纤维层。

根据一个实施例，每一纤维层都具有一定数量的Z-纤维束穿入到该纤维层中，并且该Z-纤维束的数量是恒定的。例如，纤维结构630中，出现在上部组632的Z-纤维束706-720的各段穿入5个相邻的纤维层，其结果是，在示出的截面中，每一纤维层601-620各具有43束Z-纤维束。优选地，这种情况可通过下述方法来实现，即由恒定数目的在上部组632的Z-纤维束穿入到该确定数目的纤维层中，以此来保持一个恒定的针刺密度，并且在下部组634中设置必要数目的纤维层，以便在下部组的纤维层中获得理想数目的Z-纤维束。注意，图19中，下部纤维层组634中的纤维层的数目与在上部组632中由Z-纤维穿入的纤维层的数目是一致的(5个)。该纤维结构630在从纤维层601-620的整个厚度上具有均匀的物理特性。由使该纤维结构630密实化而制得的制动盘在该盘的整个厚度上具有均匀的耐磨性、强度和热传导特性。由于其整个厚度上是均匀的，因此，当该盘磨损时，这些特性都保持恒定。

根据本发明的另一个实施例，即提供一种纤维结构，该纤维结构具有穿入一恒定数目的纤维层的Z-纤维束，每一纤维层都有一定数目的Z-纤维束渗入其中，并且该Z-纤维的数目在纤维结构中是不恒定的。例如，最外层的纤维层较置于该最外层之间的中间的纤维层来说具有其两倍数量的Z-纤维束。在形成纤维结构时，通过改变针刺密度可以改变Z-纤维束的数量。在对内部段243的纤维层针刺的时候，将针刺密度减小到一最小值，可以取得功能上与图15所示的分布类似的一种Z-纤维分布。利用这种方法设置在最外层纤维层之间的纤维层将具有最少量的Z-纤维束产生于该层中。以一个初始针刺密度来开始对第1纤维层的针刺，在对中间层的纤维层的针刺时，减少至一个最小的或少量的针刺密度，而在对最后的纤维层的针刺时增加到一个最后的针刺密度。初始和最后的针刺密度一般可以相等，并且一般相应于一个最大的针刺密度。如果针刺密度改变的话，出现在每一纤维层的单位面积的Z-纤维数量就是不恒定的。因此，通过将Z-纤维束穿入一个在上部组632中恒定数目的纤维层，可以取得一预定的Z-纤维束分布。

按照本发明的另一个方面，即提供一种形成纤维结构的方法，该纤维结构可通过改变Z-纤维束的长度而被赋予具有一种预定的Z-纤维束分布。在描述该方法时请参照图15的纤维结构230，然而，该方法同样也应用于其他的具有另外的Z-纤维的分布的纤维结构上，而任何这种变化都应认为落入本发明权限的范围内。本发明的方法包括下列步骤，在多次针刺中对纤维层进行针刺，将一纤维层集201-224叠置在一起，因此在纤维层201-224的纤维层集中产生一个Z-纤维束集，每次针刺都产生穿过数个相邻纤维层的Z-纤维束集部分，Z-纤维束集240的每一部分302-324仅穿入那些需要更多Z-纤维束的相邻的纤维层，以便在纤维层集201-224的每一层纤维层中获得预定数量的Z-纤维束。例如，可以假定，在一纤维结构中，表2所示的预定的Z-纤维束分布是所希望的分布，其中N为在单个针刺期间产生的单位面积内的Z-纤维束的数量。

表2纤维层 Z-纤维束数量1-3          6*N4-6          5*N7-9          4*N10-15         3*N

16-18    4*N19-21    5*N22-24    6*N具有这种Z-纤维分布的一种纤维结构230可以这样形成，对纤维层进行多次针刺，使每次针刺在每一层中产生一组纤维束，这组纤维束穿入到表3所示的那个数目的纤维层中。以该实施例为例，可以设想，将纤维层201针刺到至少一层下部纤维层200上，以此来开始加工，因为一般至少需要2个纤维层来产生Z-纤维束，除非纤维层201相当的厚。此外，为了在加工结束时在纤维层322-324中产生Z-纤维束，还提供了纤维层225和226。

表3针刺    纤维层数1         22         33         44         55-8       69-10      511-12     413-18     319-22     423-25     526        427        528        429        3

在随后的加工中纤维层200和225-226被去掉，这就让纤维结构230具有理想的Z-纤维分布。在随后的CVI/VD处理期间，去除外部纤维层是一种常规的加工。不过在纤维结构230的两侧面提供相同数目的可去除的纤维层是理想的，因为在随后的加工处理期间，最好是从两侧去除相同量的材料。在从针刺层202到224的每一穿刺之前，即时地加一层附加的纤维层。纤维层225受到一次初始针刺(针刺25)，接下来是一个其纤维结构相对于刺针组被降低了的退缩了的针刺，然后再受到一个针刺(针刺26)，而纤维层226受到一个初始的针刺(针刺27)，接着是两次退缩的针刺(针刺28和29)。针刺25和26产生Z-纤维束325，而针刺27-29产生Z-纤维束326。附加纤维层的数目和退缩的针刺的数量取决于外层纤维层中的理想的Z-纤维分布。注意，表2的Z-纤维分布是关于纤维结构的中点对称的，而用于每次针刺的相邻纤维层的数目是非对称的。并且在纤维层集201-224中是变化的。因此，按照优选的实施例，对纤维层集201-224叠加和针刺的步骤是从底部纤维层200开始的，并且进行到顶层纤维层224或者在提供附加层的情况下超出顶层224，如进行到纤维层225和226。在每一个针刺穿针期间，最好每单位面积内产生一恒位定数量的Z-纤维束。然而，在形成纤维结构的整个过程中，单位面积产生的Z-纤维束的数量是可以变化的。

本发明的工艺方法具有相当大的柔性，并且可以用来产生多种Z-纤维分布。表4示出了具有Z-纤维分布的纤维结构430的一种纤维结构，可以通过在如表5所示的每次针刺期间产生Z-纤维束来生产该纤维结构。对于该实施例来说，可以设想，可以这样来开始该工艺，将纤维层401针刺到至少1层下部的纤维层400上，因为一般至少需要两层纤维层来产生Z-纤维束，除非纤维层401相当厚。此外，在本工艺的末期，提供纤维层425，以便在针刺25期间在纤维层424产生Z-纤维束525。在随后的工艺中纤维层400和425都被去除掉，这就让纤维结构430具有理想的Z-纤维分布。如对于纤维结构230，理想的是，在两侧提供相同数目的可去除的纤维层，因这在随后的加工中，最好从该纤维结构的两侧去除相同数量的材料。从针刺2到24，在每次针刺之前，加上一层附加的纤维层。

表4

纤维层    Z-纤维束数201-203    3*N204-206    4*N207-209    5*N210-215    6*N216-218    5*N219-221    4*N222-224    3*N表5针刺     纤维层数1        22-6       37-10      411-13      514-20      621-22      523-24      425        2具有图19的纤维结构630的Z-纤维分布的一种纤维结构可以这样来生产，即，如表6所示，在每次针刺期间产生Z-纤维束。纤维结构630在每一层纤维层601-620中具有恒定数量的Z-纤维束，其数量可以是5*N。至于该实施例，可以设想，这样来开始该工艺，即将纤维层601针刺到至少一层下部纤维层600上，因为一般至少需要两层纤维层来产生Z-纤维束，除非纤维层601相当的厚。此外，在该工艺的末期，为了在针刺21期间在纤维层620中产生Z-纤维束721，提供了纤维层621。在随后的加工处理期间，将纤维层600和621去除，这就使纤维结构630留有一种理想的Z-纤维分布。从针刺2至20，在每次针刺之前加一层附加的纤维层。在针刺密度恒定的情况下，表6的值可生成一种均匀的纤维结构。但如前所述，其针刺密度可以是非恒定的且在针刺加工期间可被改变，以产生一种预定的Z-纤维分布。

表6针刺    纤维层数1        22        23        34        45-20       521        2在根据本发明的方法中，在多次针刺中，将纤维层集连结在一起，每次针刺包括下列步骤，将至少一层纤维层叠置在通过先前的针刺已经连接在一起的纤维层上。产生的纤维束从至少一层纤维层伸到先前已经连接在一起的纤维层上，每一个在先前已连接在一起的纤维层在随后的针刺期间接受Z-纤维束，直到该层的Z-纤维束达到该层预定的一个Z-纤维束的数量，因此，在纤维层集的每一纤维层具有该层纤维预定的一个Z-纤维束的数量。由至少一部分针刺的所产生的Z-纤维束并不穿入所有先前已针刺过的纤维层。如到现在为止描述的那样，由成组的Z-纤维束穿入的相邻纤维层的数目一直是以整数来表述的，为的是简化对本发明的描述。当需要的时候，为获得理想的Z-纤维分布，相邻的纤维层的数目还可以包括小数(或分数)的纤维层。在实际应用中，由成组的Z-纤维束穿入的相邻纤维层的数目一般包括由小数来表示的纤维层。

参见图15-19所描述的为形成具有理想的Z-纤维束的纤维结构的工艺，在应用时可以考虑如图1-14所描述的压实和最小转移，或不考虑这些因素。在被转移的纤维极少有或没有拉回其起始的那一层或那些层纤维层的趋势的情况下，则没有必要考虑最小的纤维转移。若用于特殊工艺的纤维层在随后的针刺期间极少有或没有压实的趋势的情况下，则没有必要考虑先前已针刺过的纤维层的压实因素。如果压实是一种因素的话，则最好用公式7来计算在一给定的针刺期间实际的转移深度，并最好用公式8来计算下一次针刺的基板的位置设定。通过将在下一次针刺中要被Z-纤维穿入的的一定数目的纤维层(在有由小数表示层数的情况下应包括由小数表示的层数)的厚度相加在一起，则可确定公式8中的理想的转移深度D11i。由任何一种参照图1-14所公开的方法可以估算各个纤维层的厚度。如前面参见图11所描述的那样，根据本发明的工艺可以交替地在公式7和公式8之间，利用一种自动地受控制的“预测器-修正器”技术而施行。

按照一种优选的实施例，所有或某些纤维层具有3个单向的连续的OPF纤维的分纤维层，如前所述，它们被稍微地针刺在一起而形成一个连接在一起的纤维层。该针刺工艺利用了一种带孔的基板，如图4A和4B所示，并且最好应考虑压实因素及最小转移因素。然而，重要的是，应注意，用于一给定的针刺工艺的最小转移，压实特性以及纤维的转移特性都被以实验为基础地确定下来，以用于该工艺中。这种特性可根据在此公开的原理加以确定。

最后，还参考对图15-19描述的工艺，没有必要确定从每层纤维层转移的纤维量和确定那些纤维从其上转移的纤维层组，或者没有必要对于每一层都形成具有理想的CQT的纤维结构。然而，最好对CQT值数量化，因为它表明，在纤维结构中纤维从何处开始转移，以及从每一层中转移了多少纤维。如前所述，从某纤维层中转移纤维则会影响到该层纤维层的机械强度。最好，至少在部分纤维结构中将CQT值维持在一预定的范围内。根据图15，用于制动盘的纤维结构最好在其耐磨表面具有的ZpL值是在每平方厘米650-750个Z-纤维束的范围内，并且在接近中心线的地方具有一最小的ZpL值，其值大约为500-600的范围之间(包括在形成那层纤维层期间产生的已出现在各纤维层中的任何的Z-纤维束)。在根据图11计算的时候(最好用公式6a)，耐磨表面之间的每一层的CQT值最好维持在200-500的范围内。用于按照图19的制动盘的纤维结构可以具有一般为恒定的大约为每平方厘米625个Z-纤维束的ZpL值且其CQT值在250-350的范围内。

通常垂直于针刺方向上的单位面积的Z-纤维数可以通过改变针刺密度，通过改变在此公开的转移深度，以及通过一起改变针刺密度和转移深度而在一给定的纤维层内得以变化。可以利用任何的这些途径来应用本发明，并且，任何这类的变化都被认为是落入本发明权限的范围内。在根据本发明的工艺中增加针刺密度可以由多种方法来完成，包括在一次针刺期间增加每单位面积的刺针穿刺数，和/或使一个纤维层受到至少两次针刺而不添加另外的纤维材料。

用于图17中的制动盘238的一种有梯度的Z-纤维分布可以以其他方式来实现。这种工艺方法可以包括这样的步骤：以多次针刺形成一种Z-纤维束集，这些纤维束在叠置着的纤维层集中的纤维层之间穿过，由此形成了一种具有两个外部区段242和一个在两个外部区段242之间的内部区段243，每一次针刺都具有一个针刺密度，并在形成两外部区段242时其针刺密度大于在形成内部区段时的针刺密度。通过形成渗入纤维层中的连接基质，从这样一种纤维结构可以形成一种制动盘。两外部区段242较内部区段243具有更多的Z-纤维束。如参见图17所述的那样，由此制得的制动盘在外部区段242比在内部区段243具有较小的平行于表面244和246的抗拉强度及具有较大的耐磨性。可以这样来增加其针刺密度，即在添加另外的纤维材料之前，使外部区段242中的至少一层纤维层受到至少两次针刺。通过改变每平方面积的刺针穿刺的数量或综合这两种技术，也可改变针刺密度。任何一种这样的工艺可以与任何一种到此为止所讨论的工艺结合而加以应用。

显然，可能有各种各样的变化方案，但它们都不脱离由以下权利要求限定的本发明的真正的范围和精神。