CN103835067A - 一种准三维预制件 - Google Patents

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蒋洪亮
谢美琴
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Abstract

本发明公开了一种准三维预制件，它包括无纬织物和网胎交替叠层，经双向喂料针刺机在无纬织物和网胎交替叠层的垂直方向连续针刺渗透若干固定层次，在层间产生垂直方向纤维连接相邻若干层，制得一种碳纤维整体结构的准三维预制件，所述的准三维预制件的体积密度为0.45～0.70g/cm3。本发明准三维预制件减少碳化工艺环节，避免了碳化过程中由于长短纤维收缩引起的变形，密度不均引起的结焦；优化了预制件内部结构及孔隙分布；在CVD过程中容易吸附承载基体碳，大大提高了飞机碳刹车盘的抗磨擦磨损性能，垂直方向的导热性能、抗拉强度以及剪切强度。提高了预制件的Z向纵向增强纤维含量，有效控制了层间密度一致。

Description

一种准三维预制件
技术领域
本发明提供了一种准三维预制件，尤其是一种碳纤维整体结构的准三维预制件，特别适用于随后直接沉积碳加工成用于飞机碳刹车盘的C/C结构材料。
背景技术
飞机碳刹车是一种圆形超高强的摩擦材料，英、美、法三国早在二十世纪六十年代中期就开始了对飞机碳刹车材料的开发，在增强材料性能和生产工艺上不断改进和提高，至二十世纪八十年代初，只有美国B.F.Goodrich公司、Goodyer公司、Honeywell公司、英国Dunlop公司和法国Messier-Bugatti公司为波音公司、空中客车公司提供飞机碳刹车盘。飞机碳刹车盘的预制件技术主要包括预氧化纤维针刺预制件技术、碳纤维连续长纤维编织技术、碳纤维短切纤维与树脂或沥青复合热模压固化技术。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件，炭纤维三维预制件是指X向、Y向、Z向均有期望的结构强度。
预氧化纤维针刺预制件技术为目前国际上主流技术，包括聚丙烯腈预氧化长纤维（PANOF）与短切聚丙烯腈预氧化纤维（PANOF）网胎层叠形成三维织物，经过针刺、碳化等工艺过程。但是聚丙烯腈预氧化纤维（PANOF）制作的预制件必须进行碳化工序转化为碳纤维结构。聚丙烯腈预氧化纤维导热系数低、碳化可控性差、工艺难度大、对设备及工艺要求高，且预氧化预制件在高温碳化过程中，预制件内部的长、短纤维产生不同应力而蠕动造成整体收缩变形，易分层；碳化过程中若控制不好工艺还容易造成结焦，复合成C/C复合材料后结集处易形成不均匀低密度区，对最终产品各层面的摩擦磨损性能均匀性会有一定影响。而且在碳化过程中释放出大量易挥发的带有刺鼻气味的白色氢氰酸胺有毒结晶体，对操作者和环境造成一定的影响。
碳纤维连续长纤维编织技术是利用聚丙烯腈基长碳纤维（PANCF）编织而成的平面织物，叠层至所需的一定厚度，然后进行树脂或沥青浸渍热模压固化，经碳化工艺，依靠碳化过程树脂碳或热解碳来粘合。该技术由于垂直方向没有纤维连接，纯粹依靠碳化过程中的树脂碳或热解碳来粘合，制成的飞面碳刹车盘，垂直方向力学性能不会很高，导热系数也会受到一定影响，如果工艺控制不好，产品容易分层。平面(X、Y向)通常采用昂贵的1K和3K碳纤维制作，工序复杂，制作周期长、纤维利用率低、成本高。
碳纤维短切纤维与树脂或沥青复合热模压固化技术采用聚丙烯腈基短切碳纤维(PANCF)与树脂复合热模压固化技术，由聚丙烯腈基短切碳纤维进行树脂或沥青浸渍热模压固化，经碳化工艺，依靠碳化过程树脂碳或热解碳来粘合。该技术存在的主要缺陷与碳纤维连续长纤维编织技术的主要缺陷类似。
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，Z向增强纤维含量高，层间密度一致的准三维预制件。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种准三维预制件，它包括无纬织物和网胎交替叠层，经双向喂料针刺机在无纬织物和网胎交替叠层的垂直方向连续针刺渗透若干固定层次，在层间产生垂直方向纤维连接相邻若干层，制得一种碳纤维整体结构的准三维预制件，所述的准三维预制件的体积密度为0.45～0.70g/cm3。
本发明所述的可针刺无纬织物，是由聚丙烯腈基长碳纤维径向叠合针刺制成的厚度0.15～0.3mm、面密度20～300g/m2的薄层无纬织物，所述的无纬织物有利于后续针刺得到永久转移的Z向纤维。
本发明所述的网胎，是由聚丙烯腈基短切碳纤维经蒸汽或化学柔性处理、机械开松、梳理成厚度0.15～0.3mm、面密度20～300g/m2的薄形网毡织物。所述的聚丙烯腈基短切碳纤维的长度为60～90mm。
聚丙烯腈基短切碳纤维蒸汽处理为：聚丙烯腈基短切碳纤维加入水分使保持短切碳纤维保持40～70%湿度，25～30℃保温1～5小时。
本发明所述的聚丙烯腈基短切碳纤维的机械开松是利用传动***，沿着单辊开松机辊轴方向，形成“S”型布针方式，达到了对开松的纤维损伤小，松散性更好的目的。
本发明所述的网胎，经过蒸汽或化学柔性改性、开松处理后，增强了短切碳纤维的柔软性，并在成网过程中使之产生一定的抱和性，网胎形式具有随机分布的多孔，不仅为后续碳沉积提供足够空间，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。
无纬织物间铺设网胎，所述的相邻无纬织物层间优选以0度/90度夹角交错铺层，有利于节省物料。
所述的针刺密度30～50针/cm2。
所述的准三维预制件的层间密度10～25层/cm。所述的准三维预制件的厚度是10～400mm。
所述的准三维预制件的垂直方向（Z向）纤维含量25%～55%。
一种准三维预制件的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)、由聚丙烯腈基长碳纤维径向叠合针刺制成的厚度0.15～0.3mm、面密度20～300g/m2的无纬织物；由聚丙烯腈基短切碳纤维经蒸汽或化学柔性处理、机械开松、梳理成厚度0.15～0.3mm、面密度20～300g/m2的网胎；
(2)、无纬织物和网胎交替叠层，控制相邻无纬织物层间以0度/90度夹角交错铺层；
(3)、经双向喂料针刺机在无纬织物和网胎交替叠层的垂直方向连续针刺渗透若干固定层次，针刺密度30～50针/cm2，在层间产生垂直方向纤维连接相邻若干层，制得体积密度为0.45～0.70g/cm3、层间密度10～25层/cm的碳纤维整体结构的准三维预制件。
所述的双向喂料针刺机，包括机架、设于机架顶部的电动机、针梁、针板、剥网板、对应于剥网板的下方的托网板、用于控制托网板升降的蜗轮丝杆升降部件，在所述在机架上部通过轴承安装水平转轴，水平转轴通过皮带由电动机驱动，在水平转轴左右两侧安装有两个双向凸轮，对应于所述双向凸轮下方安装有第一双向导柱，第一双向导柱和对应的双向凸轮接触，针梁固定在第一双向导柱下，在水平转轴位于两个双向凸轮外侧还设有两个第二双向导柱，第二双向导柱下端设有油缸，所述油缸和剥网板固定；在对应托网板水平面的两侧设有喂给帘；所述蜗轮丝杆升降部件包括蜗轮、丝杆，4个蜗轮固定在机架底板上，4根丝杆由蜗轮驱动上下运动，4根丝杆顶端共同固定托网板；所述的蜗轮丝杆升降部件和喂给帘通过自动化调速电动机控制。
在生产过程中，电动机驱动水平转轴带动双向凸轮、第一双向导柱、第二双向导柱进行上下往复运动，进行针刺；通过自动化调速电动机控制两侧的喂给帘喂料频率和速度、并且控制蜗轮丝杆升降部件调节双向喂料针刺机的托网板下降，制品越厚托网板越低。一侧喂给帘给料时同步进行针刺，针刺完得到固定层次的预制品，调整托网板下降，与另一侧喂给帘输入的新料叠合进行针刺渗透若干固定层次，直至得到一定厚度的准三维预制件。针刺过程中由于剥网板上油缸作用，有效控制准三维预制件的密度和层间密度。
和现有技术相比，本发明的有益效果：
1、采用聚丙烯腈基碳纤维代替聚丙烯腈预氧化纤维，减少碳化工艺环节，避免了碳化过程中由于长短纤维收缩引起的变形，密度不均引起的结焦。利用PANCF制备的网胎作为预制件的填充层面，在后续针刺成型过程中容易产生Z向纤维提高预制件Z向强度，优化了预制件内部结构及孔隙分布。
2、飞机碳刹车是一种圆形超高强的摩擦材料，鉴于它的运动方向，长碳纤维无纬织物在X、Y平面方向合理的铺设不同角度，提供给制造飞机刹车盘的预制件最优的平面抗拉、抗折强度。
3、采用短切碳纤维网胎与长纤维无纬织物铺设叠层，连续针刺渗透若干固定层次，并且与毗邻的若干固定层次相接的准三维立体织物，针刺给垂直方向增加了一定量的Z向纵向连续贯穿性纤维，使之在CVD过程中容易吸附承载基体碳，从而大大提高了飞机碳刹车盘的抗磨擦磨损性能，垂直方向的导热性能、抗拉强度以及剪切强度。
4、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，且针刺对纤维损伤也少，通过增加针刺厚度，可以将叠层的短切纤维网胎与长碳纤维平面织物，进行连续针刺逐渐渗透若干固定层次，提高了预制件的Z向纵向增强纤维含量，有效控制了层间密度一致。
附图说明
图1为本发明准三维预制件的三维结构示意图。
图1中，31-无纬织物，32-网胎。
图2是双向喂料针刺机的结构示意图。
图3是双向喂料针刺机的侧视图。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
如图2和图3所示，一种双向喂料针刺机，包括机架1、设于机架1顶部的电动机2、针梁9、针板10、剥网板12、对应于剥网板12的下方的托网板13、用于控制托网板13升降的蜗轮丝杆升降部件，水平转轴4通过轴承3安装在机架1上部，水平转轴4通过皮带11由电动机2驱动，在水平转轴4左右两侧安装有两个双向凸轮5，对应于所述双向凸轮5下方安装有第一双向导柱6，第一双向导柱6和对应的双向凸轮5接触，针梁9固定在第一双向导柱6下，在水平转轴4位于两个双向凸轮5外侧还设有两个第二双向导柱7，第二双向导柱7下端设有油缸8，所述油缸8和剥网板12固定；在对应托网板13水平面的两侧设有喂给帘16；所述蜗轮丝杆升降部件包括蜗轮15、丝杆14，4个蜗轮15固定在机架底板上，4根丝杆14由蜗轮15驱动上下运动，4根丝杆14顶端共同固定托网板13；所述的蜗轮丝杆升降部件和喂给帘16通过自动化调速电动机控制。
在生产过程中，电动机2驱动水平转轴4带动双向凸轮5、第一双向导柱6、第二双向导柱7进行上下往复运动，进行针刺；通过自动化调速电动机控制两侧的喂给帘16喂料频率和速度、并且控制蜗轮丝杆升降部件调节双向喂料针刺机的托网板13下降，制品越厚托网板越低。一侧喂给帘16给料时同步进行针刺，针刺完得到固定层次的预制品，调整托网板13下降，与另一侧喂给帘16输入的新料叠合进行针刺渗透若干固定层次，直至得到一定厚度的准三维预制件。针刺过程中由于剥网板12上油缸8作用，有效控制准三维预制件的密度和层间密度。
实施例1
将聚丙烯腈基长碳纤维切成长度为60mm的聚丙烯腈基短切碳纤维，喷洒水分使短切碳纤维保持40%湿度，保持温度在25℃下5小时，使其软化改性，取出短切纤维后沿着单辊开松机辊轴方向，形成“S”型布针方式，开松呈90%松散度絮状纤维绒，然后由梳理机疏理成厚度0.3mm、面密度200g/m2的薄形网毡织物（网胎）。将聚丙烯腈基长碳纤维径向叠合针刺成厚度0.3mm、面密度250g/m2的薄层无纬织物。如图1所示，将无纬织物和网胎交替叠层，相邻无纬织物层间以0度/90度夹角交错铺层，并使最外两层均为无纬织物，按照针刺密度40针/cm2在无纬织物和网胎交替叠层的垂直方向（Z方向）连续针刺渗透，通过自动化调速电动机控制蜗轮丝杆升降部件使托网板一次下降5mm，直至针刺成厚度400mm的准三维预制件，制得的准三维预制件层间密度20层/cm、体积密度0.45g/cm3、垂直方向纤维含量38%。
实施例2
将聚丙烯腈基长碳纤维切成长度为70mm的聚丙烯腈基短切碳纤维，用十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐喷湿表面，置于密闭容器中存放20小时，使其软化改性，取出在常温下脱水烘干，短切纤维后沿着单辊开松机辊轴方向，形成“S”型布针方式，开松呈90%松散度絮状纤维绒，然后由梳理机疏理成厚度0.15mm、面密度80g/m2的薄形网毡织物（网胎）。将聚丙烯腈基长碳纤维定向叠合针刺成厚度0.15mm、面密度100g/m2的薄层无纬织物。如图1所示，将无纬织物和网胎交替叠层，相邻无纬织物层间以0度/90度夹角交错铺层，并使最外两层均为无纬织物，按照针刺密度45针/cm2在无纬织物和网胎交替叠层的垂直方向（Z方向）连续针刺渗透，通过自动化调速电动机控制蜗轮丝杆升降部件使托网板一次下降4mm，直至针刺成厚度300mm的准三维预制件，制得的准三维预制件层间密度19层/cm、体积密度0.70g/cm3、垂直方向纤维含量45%。
实施例3
将聚丙烯腈基长碳纤维切成长度为80mm的聚丙烯腈基短切碳纤维，喷洒水分使短切碳纤维保持70%湿度，保持温度在25℃下3小时，使其软化改性，取出后短切纤维后沿着单辊开松机辊轴方向，形成“S”型布针方式，开松呈90%松散度絮状纤维绒，然后由梳理机疏理成厚度0.2mm、面密度125g/m2的薄形网毡织物（网胎）。将聚丙烯腈基长碳纤维定向叠合针刺成厚度0.25mm、面密度200g/m2的薄层无纬织物。如图1所示，将无纬织物和网胎交替叠层，相邻无纬织物层间以0度/90度夹角交错铺层，并使最外两层均为无纬织物，按照针刺密度50针/cm2在无纬织物和网胎交替叠层的垂直方向（Z方向）连续针刺渗透，通过自动化调速电动机控制蜗轮丝杆升降部件使托网板一次下降5mm，直至针刺成厚度350mm的准三维预制件，制得的准三维预制件层间密度16层/cm、体积密度0.65g/cm3，垂直方向纤维含量55%。
实施例4
将聚丙烯腈基长碳纤维切成长度为85mm的聚丙烯腈基短切碳纤维，喷洒水分使短切碳纤维保持60%湿度，保持温度在25℃下2小时，使其软化改性，取出后短切纤维后沿着单辊开松机辊轴方向，形成“S”型布针方式，开松呈90%松散度絮状纤维绒，然后由梳理机疏理成厚度0.25mm、面密度150g/m2的薄形网毡织物（网胎）。将聚丙烯腈基长碳纤维定向叠合针刺成厚度0.25mm、面密度200g/m2的薄层无纬织物。如图1所示，将无纬织物在X、Y方向不同角度铺设和网胎交替叠层，相邻无纬织物在X、Y方向的铺设角度为60度，并使最外两层均为无纬织物，按照针刺密度50针/cm2、针刺厚度350mm在无纬织物和网胎交替叠层的垂直方向（Z方向）连续针刺渗透，通过自动化调速电动机控制蜗轮丝杆升降部件使托网板一次下降4mm，直至针刺成厚度80mm的准三维预制件，制得的准三维预制件层间密度12层/cm、体积密度0.60g/cm3、垂直方向纤维含量52%。

Claims (9)

1.一种准三维预制件，其特征在于：它包括无纬织物和网胎交替叠层，经双向喂料针刺机在无纬织物和网胎交替叠层的垂直方向连续针刺渗透若干固定层次，在层间产生垂直方向纤维连接相邻若干层，制得一种碳纤维整体结构的准三维预制件，所述的准三维预制件的体积密度为0.45～0.70g/cm3。
2.根据权利要求1所述的准三维预制件，其特征在于：所述的无纬织物是由聚丙烯腈基长碳纤维径向叠合针刺制成的厚度0.15～0.3mm、面密度20～300g/m2的薄层无纺织物。
3.根据权利要求1所述的准三维预制件，其特征在于：所述的网胎是由聚丙烯腈基短切碳纤维经蒸汽或化学柔性处理、机械开松、梳理成厚度0.15～0.3mm、面密度20～300g/m2的薄形网毡织物；所述的聚丙烯腈基短切碳纤维的长度为60～90mm。
4.根据权利要求1所述的准三维预制件，其特征在于：所述的相邻无纬织物层间以0度/90度夹角交错铺层。
5.根据权利要求1所述的准三维预制件，其特征在于：针刺密度30～50针/cm2。
6.根据权利要求1所述的准三维预制件，其特征在于：所述的准三维预制件的层间密度10～25层/cm。
7.根据权利要求1所述的准三维预制件，其特征在于：所述的准三维预制件的厚度是10～400mm。
8.根据权利要求1所述的准三维预制件，其特征在于：所述的准三维预制件的垂直方向纤维含量25%～55%。
9.一种准三维预制件的制作方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)、由聚丙烯腈基长碳纤维径向叠合针刺制成的厚度0.15～0.3mm、面密度20～300g/m2的无纬织物；由聚丙烯腈基短切碳纤维经蒸汽或化学柔性处理、机械开松、梳理成厚度0.15～0.3mm、面密度20～300g/m2的网胎；
(2)、无纬织物和网胎交替叠层，控制相邻无纬织物层间以0度/90度夹角交错铺层；
(3)、经双向喂料针刺机在无纬织物和网胎交替叠层的垂直方向连续针刺渗透若干固定层次，针刺密度30～50针/cm2，在层间产生垂直方向纤维连接相邻若干层，制得体积密度为0.45～0.70g/cm3、层间密度10～25层/cm的碳纤维整体结构的准三维预制件。
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