CN102166840B - Z向有连续炭纤维预制体 - Google Patents

Abstract

本发明是对Z向有连续炭纤维预制的改进，其特征是平面叠铺炭纤维织物为长纤维层间交叉摆放的无纬炭纤维布。不仅Z向结构稳定，而且预制体三维均为基本无损伤的连续炭纤维，提高了预制体的各同向性，具有很好的三维结构骨架。层间引入纤维随机分布的短纤维网胎，随机分布多孔，有利于基体炭引入和分布均匀。并无纬织物降低了穿针阻力，以及可以加大Z向连续纤维间距，提高了穿针引入Z向连续纤维的效率，还可以采用大K束炭纤维，成本可以降低40－60%。本发明预制体既可以作为结构材料，同时又可以作为功能材料，以及结构与功能兼备材料。

Description

Z向有连续炭纤维预制体

技术领域

本发明涉及一种Z向有连续炭纤维的炭纤维三维预制体，尤其是对现有连续炭纤维预制体层间织物的改进。

背景技术

制备各种高性能C/C复合材料，均需先制备炭纤维三维预制体，炭纤维三维预制体(以下简称预制体)是指X向、Y向、Z向均有期望的结构强度。然而由于炭纤维表面光滑抱和力差，仅采用X向、Y向炭纤维或机织物叠合，其层间连接强度极低，因此现有技术较多采用针刺技术，在叠合预制体Z向引入纤维增强，从而获得具有三维纤维连接的预制体，例如：美国专利US5869411、中国专利96121709、95191073、CN101575766，申请人在先申请专利 CN02138191.7等均是采用针刺形成预制体。此采用针刺引入Z向纤维，以获得层间连接强度的预制体，其仍有不足：例如通过针刺方式在Z向引入层间连接纤维，固然能够增强预制体Z向结构强度，但客观上因针刺穿过厚度能力有限，所以层间Z向纤维连接厚度也有限；其次，Z向连接纤维是经针刺产生的短丝纤维，以及针刺过程使得原铺放的X向和Y向纤维受到损伤，二个原因导致Z向强度(层间抗拉、抗剪)总是不十分高，难以制成Z向强度及整体结构强度高的复合材料。

为了克服针刺Z向增强的不足，提高预制体层间结合力，减少分层，使Z向结构更稳定，提高各同向性，例如美国专利US4218276采用炭纤维布在Z向穿引连续纤维制成预制体，申请人也曾采用连续炭纤维纵向穿过方式在Z向形成连续纤维，较好补强了预制体Z向结构强度。然而为使预制体有较好的结构强度，以及适合的孔结构分布，平面(X、Y向)大都采用小K束(1-6K)炭纤维机织物。编织物经纬向纤维交织点多，并且为确保层间编织布的平整，通常需预给张力，这样在经纬交叉点形成力矩，而编织布及细K束纤维各力矩点间距离较短，其张力导致Z向穿刺时阻力及磨擦力大，对于大厚度制品(例如≥300mm)穿刺难度大、穿刺困难，加大穿刺力度又极易造成层间布的不平整，不平整同样会影响预制体的平面性能；其次，引入连续纤维粗钢针穿刺对X、Y向纤维也会损伤，客观上会造成X、Y向性能降低；再就是，此连续纤维采用小间距例如1.0－1.4 mm左右，不仅制作难度更大，而且对平面X、Y向纤维损伤更大，并且更容易使平面织物产生皱折，影响平面力学性能。此外，小K束炭纤维不仅成本高，而且编织搭接结点多、容易造成纤维搭接点界面影响沉积，容易造成后续基体炭引入不均匀，并且编织纤维搭接呈微拱，交织点处纤维弯曲也会导致平面性能降低。这些均会造成预制体力学性能的降低，或限制其性能的提高。如果采用在Z向排列预制钢针板上逐层叠放炭纤维织物，虽然上述穿过阻力大不足能够得到克服，但不仅生产效率显然大大下降，实际工业化不易接受，而且其他不足仍未得到克服。上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种对X、Y方向纤维损伤小，对平面性能基本无影响，且Z向纤维引入容易，生产效率高的Z向有连续炭纤维预制体。

本发明目的实现，主要改进是平面X、Y向炭纤维采用无纬布代替小K束机织物(经纬织物)，从而克服现有技术的不足，实现本发明目的。具体说，本发明Z向有连续炭纤维预制体，包括逐层叠铺的炭纤维织物，及纵向有连续炭纤维穿过，其特征在于叠铺炭纤维织物为长纤维层间交叉摆放的无纬炭纤维布。

在详细说明前，先通过对发明能够达到的基本功能及效果作一介绍，以使本领域技术人员对本专利总体构思技术方案有一个明确了解。

本发明预制体层间炭纤维采用无纬织物布，且层间长纤维交叉，因无纬织物仅只有单方向张力，且无纤维搭接，降低了穿刺引导连续纤维阻力；其次，织物无纬向纤维交织纤维直而不弯曲，既有利于纤维强度的发挥，又同时无纬向纤维钢针穿刺对纤维损伤也少，完全可以消除双向纤维织物在制备Z向有有连续纤维预制体的不足，制得X、Y、Z三维均有连续且基本无或少损伤纤维的预制体，可以获得三维强度都高、整体结构强度好、力学性能优的复合材料。

此外，为进一步提高层间结合性，提高预制体的综合性能，还可以在无纬布层间铺放由短纤维制成的网胎(又称无纺毡)。无纬布层间铺放网胎，网胎纤维随机分布，提高了预制体的各同向性，并且网胎形式具有随机分布的多孔，不仅为后续炭沉积提供足够空间，有利于沉积更多炭，提高了C/ C复合体残炭；而且沉积C结构分布性能好，有利于提高制成材料的整体性能。视所得预制体结构强度及性能要求，网胎可以与无纬布逐层交替放，也可以若干层无纬布铺放一层网胎。

本发明中：无纬布，同现有技术可以采用小K束炭纤维，但由于无纬布无交织另一向纤维，单向纤维可以获得充分展开，同样具有较好的孔结构，因而可以采用价格相对低的大K束纤维。无纬炭纤维布叠层铺放，一种较好是采用逐层交错或旋转铺放，其中尤以旋转铺放为最佳，更有利于提高各同向性。Z向连续纤维，同现有技术，在平面叠层至所需厚度，由钢针穿过引导连续炭纤维。

本发明Z向有连续炭纤维预制体，相对于现有技术，由于层间采用无纬炭纤维布或无纬炭纤维布与短纤维网胎交替叠铺，不仅保留了现有技术采用连续纤维Z向穿过，提高层间抱合力不易分层，Z向结构稳定的优点，而且使所得预制体三维均为基本无损伤的连续炭纤维，提高了预制体的各同向性，从而获得很好的三维结构骨架。无纬炭纤维布，既利用了单向纤维强度，同时由于基本没有纬向纤维，有效减少引入连续纤维针穿过时对纤维的损伤，对平面炭纤维损伤小；其次，平面向无交错搭接炭纤维，针穿过阻力小，还大大提高了穿针引入Z向连续纤维的效率；再就是，无纬布纤维展开可以获得更加均匀细密的孔结构。并且无纬布无交织另一向纤维，单向纤维可以获得充分展开，可以采用价格低的多的大K束纤维(≥12 K)，同样体积预制体，采用大K束炭纤维，成本可以降低40－60%。特别是层间引入纤维随机分布的短纤维网胎，网胎具有随机分布多孔，为后续基体炭引入提供了更多的通道，有利于基体炭引入和分布均匀。采用大K束纤维，Z向具有较高的纤维体积含量，因而可以加大Z向连续纤维间距，Z向连续炭纤维中心距离1.5－5.0mm，从而降低了穿引Z向纤维难度，而不降低性能。由于预制体性能的提高，本发明预制体，既可以作为结构材料，同时又可以作为功能材料，以及结构与功能兼备材料。本发明预制体及C/ C复合材料，同时具有无纬布层(还可以有网胎层)，以及Z向连续完整纤维，为区别于现有技术三维预制体特征所在。本发明预制体，可以通过金相或扫描电镜方法鉴别层间织物。

以下结合二个示例性实施例，示例性说明及帮助进一步理解本发明实质，但实施例具体细节仅是为了说明本发明，并不代表本发明构思下全部技术方案，因此不应理解为对本发明总的技术方案限定，一些在技术人员看来，不偏离本发明构思的非实质性增加和/或改动，例如以具有相同或相似技术效果的技术特征简单改变或替换，均属本发明保护范围。

具体实施方式

实施例1：无纬布叠层Z向有连续炭纤维穿过预制体，预制体尺寸100×100×100mm³，Z向纤维中心距2mm。

采用12K炭纤维编织无纬布，面密度 240g/m²，裁剪无纬布100×100mm(实际裁剪尺寸各边放大10～20mm)，将裁剪好的无纬布逐层按长纤维方向旋转60度叠层铺放至所需厚度中止叠层。在100×100mm平台上等距2mm排列纵向钢针矩阵，X向和Y向钢针数各为50根，将钢针矩阵穿过叠层纤维体，逐根替换钢针穿引12K纵向连续炭纤维，加压密实使22～24层/cm，形成Z向有连续炭纤维的无纬布穿刺织物。性能指标见附表。

实施例2：如实施例1，其中在叠层无纬布时，每层间有面密度 70g/m²短炭纤维网胎。加压密实层数为16～18层/cm。性能指标见附表。

比较例：同例2，其中平面织物为采用3K有纬布制得的预制体。性能指标见附表。

对于本领域技术人员来说，在本专利构思及具体实施例启示下，能够从本专利公开内容及常识直接导出或联想到的一些变形，本领域普通技术人员将意识到也可采用其他方法，或现有技术中常用公知技术的替代，以及特征的等效变化或修饰，特征间的相互不同组合，例如炭纤维K数变化，网胎叠层数量的变化，Z向连续炭纤维中心距离的改变，等等的非实质性改动，同样可以被应用，都能实现本专利描述功能和效果，不再一一举例展开细说，均属于本专利保护范围。

Claims (2)

1.一种Z向有连续炭纤维预制体，包括逐层叠铺的炭纤维织物，及Z向有连续炭纤维穿过，其特征在于：叠铺炭纤维织物为长纤维层间交叉摆放的无纬炭纤维布，无纬炭纤维布层间有炭纤维网胎；所述无纬炭纤维布层间交叉摆放为按纤维方向层间旋转叠铺；无纬炭纤维布炭纤维为≥12 K炭纤维，Z向连续炭纤维束为≥12 K炭纤维。

2.根据权利要求1所述的Z向有连续炭纤维预制体，其特征在于Z向连续炭纤维中心距离1.5－5.0mm。