專利名稱：環(huán)狀纖維預制件及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及摩擦材料技術領域，尤其是一種纖維預制件，如飛機碳/碳剎車盤用環(huán)狀纖維預制件，也可以用于高速列車、高級汽車等摩擦材料預制件。
背景技術：
剎車盤，現有技術一般采用由碳基體和預氧化纖維增強或碳纖維增強復合制備，相比于以前的粉末冶金材料制備的剎車盤，具有機械性能好、熱庫性能強、摩擦性能優(yōu)異、產品可設計性強等優(yōu)點。生產復合材料剎車盤首要是制備出結構性能優(yōu)異且易于后期基體增密的環(huán)形纖維預制件?，F有技 術公開了一種通過圓式針刺臺針刺疊置環(huán)形層獲得的環(huán)狀纖維預制件，其中環(huán)形層是由無緯織物上切割長纖維呈徑向及切線方向分布的兩種扇形單元交錯拼接成(US5323523，US5705264, US4955123)，該方法材料損失比從完整的方形或圓形件上進行切割要少，但其提供的切割方式帶來的損耗仍然不可忽視。以上發(fā)明中兩種類型扇形部分交錯疊置，面內和層間均勻一致性差，且當扇形單元拼接數量為奇數時，預制體平面內勢必出現不均勻的兩種纖維連接結構，破壞預制件的整體一致性，最終影響摩擦材料的穩(wěn)定性；同時，制動力切線方向長纖維含量少而不均勻，經C/C復合后摩擦材料的耐磨損及抗振性差；還可以明顯看出，發(fā)明中扇形單元采用搭接的方式，該方案易造成面內和層間的不均勻，搭接處相較之下密實且層厚，堵塞了后期碳基體沉積通道，加大了復合工藝控制難度，使復合后摩擦材料內部存在明顯的性能差異，工作穩(wěn)定性差，且單層扇形單元數量越多，預制件厚度越大，差異越明顯越突出，整體結構及性能越難控制。已報道的另一種常見制備方法是由纖維織物疊合經針刺連接后裁切成環(huán)狀纖維預制件(美國專利US5869411、中國專利96121709、95191073及CN02138191.7)，但上述方法成型的環(huán)狀纖維預制件均需按照使用形狀和尺寸去除材料，這使得原材料的有效利用率僅為30%-55%，造成材料的嚴重浪費；且碳纖維采用0° /90°纖維疊置，在制動力切線方向轉動面上長纖維量相對較少，影響產品質量的一致性和穩(wěn)定性。另夕卜，采用預氧化纖維制備環(huán)形纖維預制件是目前公開的、較成熟工藝(CN101575766、CN1945048、CN101503844、CN02138191.7)，其優(yōu)勢在于其紡織操作性強，制成短纖維薄氈與長纖維織物交替鋪層針刺獲得一定預期特征的預制件。然而，該技術有一些缺點。首先，以上方法也需去除材料獲得環(huán)狀纖維預制件，材料利用率低；其次，預氧化纖維需施加張力碳化才能獲得較好的強度，但與碳纖維的力學特征相比顯著降低并顯示出更廣泛的分散作用，且預氧化纖維預制件碳化變形較大，與碳纖維組合使用時，由于兩者具有不同的熱膨脹系數使得后續(xù)高溫碳化過程造成內應力分布不均勻，增加了工藝控制難度，影響材料的使用性能。上述不足仍有值得改進的地方。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術的不足，提出一種環(huán)狀纖維預制件，該預制件整體均勻性好，結構穩(wěn)定，具有纖維含量高、力學性能優(yōu)異、原材料利用率高等優(yōu)點，經C/C復合后復合材料的摩擦性能提高，綜合性能優(yōu)良。還提出了上述環(huán)狀纖維預制件的制備方法，有效消除了扇形拼接纖維織物后期針刺變形錯位的現象，克服了扇形纖維織物搭接方式引起的經C/C復合后摩擦材料結構穩(wěn)定性差的不足，提高了預制件面內及層間的均勻一致性，整體結構穩(wěn)定、性能優(yōu)良。為了實現上述發(fā)明第一目的，本發(fā)明提供以下技術方案:一種環(huán)狀纖維預制件，該預制件是由環(huán)狀單元疊置針刺成型的準三維立體織物，環(huán)狀單元為由環(huán)狀的纖維織物與環(huán)狀的纖維網胎經預針刺定型的環(huán)狀復合織物，或為該環(huán)狀復合織物與環(huán)狀的纖維網胎疊置針刺構成環(huán)狀物；環(huán)狀纖維網胎由短切纖維薄氈或短切預氧化纖維薄氈制成。進一步地，環(huán)狀纖維織物由2 6個相同扇形的纖維織物拼接構成。進一步地，環(huán)狀復合織物中長纖維含量為50% 90%。進一步地，纖維織物的面密度為120 450g/m2，纖維規(guī)格為50K、48K、24K、12K、6Κ、3Κ、1Κ。進一步地，短切碳纖維薄氈或短切預氧化纖維薄氈的面密度為20 300g/m2，纖維規(guī)格為 320K、50K、48K、24K、12K。進一步地,該環(huán)狀纖維預 制件層間密度為10 18層/cm,長纖維含量為45 85%。進一步地，該預制件體積密度為0.35 0.70g/cm3。為了實現上述發(fā)明第二目的，本發(fā)明提供以下技術方案:采用預針刺定型的針刺成型工藝，將環(huán)狀的纖維織物與環(huán)狀的纖維網胎預針刺固定連結成環(huán)狀復合織物，然后由環(huán)狀復合織物或其與環(huán)狀網胎疊置針刺構成環(huán)狀單元，由環(huán)狀單元疊置針刺成型準三維立體織物，即環(huán)狀纖維預制件。進一步地，該制備方法的具體步驟包括:
(1)將纖維織物裁剪為扇形，并拼接成環(huán)狀的纖維織物；
(2)步驟(I)環(huán)狀的纖維織物與環(huán)狀的纖維網胎預針刺定型，獲得環(huán)狀復合織物，針刺密度為2 6針/cm2 ;或將該環(huán)狀復合織物與環(huán)狀的纖維網胎疊置針刺構成環(huán)狀物；
(3)步驟(2)的環(huán)形復合織物或環(huán)狀物進行疊置，旋轉錯開拼接縫；并經針刺工藝在疊置層之間引入Z向纖維，針刺密度為15 35針/cm2 ;即得到環(huán)狀纖維預制件。該制備方法采用預針刺定型的針刺成型工藝，將扇形纖維織物拼接的環(huán)狀纖維織物與環(huán)狀纖維網胎預針刺固定連結成環(huán)狀復合織物，后進行環(huán)狀單元的針刺成型，實現所述的環(huán)狀纖維預制件的制備，具體制備步驟包括:
(I)幅寬設計，其作用是滿足產品尺寸的要求，在一定的裁切方案下減少周邊材料的損耗及有效控制尾料的利用率。根據產品尺寸和扇形纖維織物裁剪角度要求設計纖維織物及網胎的幅寬，控制距裁剪邊緣的材料余量在IOmm以內。(2)纖維織物與網胎制備，根據產品性能及結構要求選擇一定規(guī)格的纖維材料制備所需面密度的纖維織物及網胎。(3)扇形裁剪，其作用與現有技術相同，根據產品規(guī)格及結構性能要求設計扇形纖維織物的尺寸和數量，由設定的裁剪方案獲得扇形纖維織物。例如制作Φ500πιπιΧ Φ 300mm的環(huán)狀纖維預制件，如圖4所示a、b、c三種不同方式進行裁剪，原材料利用率分別為40%-55%、50%-65%、60%-75%。實踐表明扇形角度越小、批次生產產品數量越多，原材料利用率越高。該方法簡單易操作，控制容易，適于自動化制備，可以避免方形件或圓形件裁切成環(huán)形件造成的大量材料損失。另外，為實現產品結構及性能的設計要求，保留足夠多的一定軌跡分布的連續(xù)長纖維含量，可按圖5所示進行扇形裁剪，其扇形中軸線與纖維織物經向夾角N可以為0°或90°或兩者之間任意值。(4)預針刺定型，由扇形纖維織物拼接成圓環(huán)狀，與環(huán)狀網胎預針刺定型獲得環(huán)狀復合織物，針刺密度為2-6針/cm2。該方法消除了扇形拼接的環(huán)狀纖維織物在后針刺過程中引起的變形及錯位現象，且預針刺實現了平面多片扇形纖維織物間及與環(huán)狀纖維網胎的固定與連接，同時采用同種扇形纖維織物拼成圓環(huán)狀，均有效提高了預制件面內及層間的均勻一致性，整體結構穩(wěn)定，復合后摩擦材料結構功能穩(wěn)定好。(5)旋轉疊置，環(huán)形復合織物的疊置按設計角度旋轉錯開拼接縫，如圖6所示；同時，環(huán)狀單元由扇形拼接的環(huán)形纖維網胎與環(huán)狀復合織物構成時，疊置相鄰層扇形拼接縫錯開；以上方法可以消除拼接縫重疊對預制件力學性能的影響，同時增強預制件材料的各向同性，滿足制動器抗震性的要求。

(6)針刺成型，經針刺工藝引入Z向纖維，實現多層環(huán)狀單元間的連接，針刺密度為15-35針/cm2。試驗表明圓式針刺臺裝置復雜，技術難度大，易造成多次多處重復針刺，影響材料性能；而采用大規(guī)格平面針刺可以實現批量化生產，自動化程度高；同時通過旋轉預制件，改變刺針排布 方式，可以避免同一部分重復針刺造成的性能二次衰減，實現Z向纖維分布的均勻性，增強預制件材料的各向同性，材料整體一致性好。(7)可重復所述步驟(5)和(6)，即獲得本發(fā)明所述的環(huán)狀纖維預制件，成型環(huán)狀纖維預制件經C/C復合后可按照設計要求將其加工成所需形狀和尺寸。眾所周知，預制件材料的各向同性的好壞決定了材料的結構可靠性和性能穩(wěn)定性，于是為了合理客觀表征預制件的性能，性能測試樣件的選取和準備顯得至關重要。本發(fā)明中涉及的預制件力學性能主要包括面內拉伸性能和層間抗拉抗剪性能，面內拉伸性能主要包括軸徑向方向和制動力平面切線方向，其中層間結合強度可以通過不同部位Z向纖維的連接強度表征，層間抗剪切性能可以通過T型剝離強度表征，這里如圖7所示制備測試樣件，為后期復合材料的整體性能提供參照作用。本發(fā)明采用包含環(huán)狀復合織物的環(huán)狀單元疊置針刺獲得厚度和體積密度預期要求的預制件。環(huán)狀復合織物由同種扇形纖維織物與環(huán)狀纖維網胎經預針刺定型，通過低密度針刺實現扇形拼接的環(huán)狀纖維織物與環(huán)狀纖維網胎的復合，該方法纖維損傷小，有效地將單層相鄰扇形纖維織物進行固定和連結，消除了扇形拼接纖維織物后期針刺變形及錯位的現象，克服了搭接方式帶來復合后摩擦材料結構穩(wěn)定性差的不足，提高了面內和層間的均勻性；單層環(huán)狀纖維織物由同種扇形纖維織物構成，進一步提高了預制件整體的均勻性；另外，環(huán)狀復合織物旋轉疊置錯開拼接縫，制備過程均采用相同材料為原材料，均提高了預制件的各向同性，與傳統(tǒng)0° /90°鋪層結構相比，纖維抱合力強，確保了面內纖維的力學特征良好；同時扇形裁剪拼接環(huán)形有效減少了從完整的圓形件或方形件上進行切割造成的材料損失，該方法可以提高制動力切線方向轉動面上長纖維的含量，確保C/C復合后復合材料的耐摩擦性能好。綜合來講，該預制件結構穩(wěn)定性好，性能優(yōu)異、纖維含量高，原材料利用率高，預制件經C/C復合后復合材料的摩擦性能提高，綜合性能好。該預制件層間密度為10-18層/Cm，長纖維含量為45-85%，體積密度為0.35-0.70 g/cm3,原材料利用率為55%-75%。本發(fā)明可應用于飛機剎車盤復合材料預制件，也可用于高速列車和高級汽車剎車系統(tǒng)中摩擦材料預制件。


圖1為環(huán)狀復合織物結構示意圖，I為環(huán)狀纖維網胎，2為表示環(huán)狀纖維織物；
圖2為環(huán)狀纖維織物示意圖，3為扇形纖維織物；
圖3為環(huán)狀纖維預制件結構示意圖，4為環(huán)狀復合織物，5為環(huán)狀單元；
圖4為扇形纖維織物裁剪示意圖，a、b、c三種不同裁剪方案，6為纖維織物；
圖5為扇形纖維織物裁剪角度示意圖，N扇形纖維織物中軸線與纖維織物經向夾角；
圖6為環(huán)狀復合織物錯開拼接縫示意圖，a為三片扇形拼接成環(huán)，b為五片扇形拼接成環(huán)，c為六片扇形拼接成環(huán)，α設定旋轉角度；
圖7為環(huán)狀纖維預制件性能測試取樣示意圖，XY為制動力切線方向拉伸測試，T為T型剝離性能測試，Z為層間結合強度，a五片拼接疊置旋轉角度為14°，b六片拼接疊置旋轉角度為15°。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發(fā)明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應對本發(fā)明的保 護范圍有任何的限制作用。實施例1
由48K預氧化纖維制備預氧化纖維平紋織物及短切預氧化纖維網胎，其面密度分別為420g/m2、90g/m2 ;設計扇形纖維織物尺寸為Φ470ι πιΧ Φ 180mm (扇形角度為120° ),按圖4(b)所示裁剪方案獲得；拼接3片扇形纖維織物成圓環(huán)狀，短切預氧化纖維網胎直接裁剪成圓環(huán)狀，經5針/cm2的針刺密度定型環(huán)狀復合織物；環(huán)狀復合織物交替疊置以25針/cm2的針刺密度進行針刺；按圖6 (a)所示旋轉疊置環(huán)狀復合織物，每八層環(huán)狀單元為一個重復結構單元，設定拼接縫夾角為15° ;最終獲得尺寸為Φ 450mmX Φ 200mmX 22mm的環(huán)狀預氧化纖維預制件，其層間密度為12.7層/cm，長纖維含量為82%，體積密度為0.65g/cm3，原材料利用率為58%。實施例2
由12K聚丙烯腈基碳纖維制成短切碳纖維網胎和無緯織物，其面密度分別為40g/m2，280g/m2 ;設計扇形纖維織物的尺寸為Φ520ι πιΧ Φ 170mm(扇形角度為72° ),按圖4(a)所示裁剪方案獲得；拼接5片扇形纖維織物成圓環(huán)狀，短切碳纖維網胎直接裁剪成圓環(huán)狀，經3針/cm2的針刺密度定型環(huán)狀復合織物；環(huán)狀復合織物及環(huán)狀纖維網胎交替疊置組成環(huán)狀單元，以30針/cm2的針刺密度進行針刺；按圖6(b)所示疊置環(huán)狀復合織物，每五層環(huán)狀單元為一個重復結構單元，設定拼接縫夾角為14° ;最終獲得尺寸為Φ500_Χ Φ190_Χ24_的環(huán)狀碳纖維預制件，其層間密度為14.3層/cm，長纖維含量為78%，體積密度為0.53g/cm3，原材料利用率為62% ;按圖7 Ca)所示取樣測試，該預制件制動力切線平面拉伸強度均值為3.12MPa，T型剝離強度均值為0.818KN/m, Z向連接強度均值為0.087MPa。實施例3
分別采用50K和24K的聚丙烯腈基碳纖維為原料制備成無緯織物和短切纖維網胎，其面密度分別為180g/m2、90g/m2 ;設計扇形纖維織物的尺寸為Φ540πιπιΧ Φ80mm(扇形角度為60° )，按圖4 (c)所示裁剪方案獲得扇形纖維織物及扇形網胎；分別拼接6片扇形組成圓環(huán)狀，環(huán)形纖維織物與環(huán)狀纖維網胎拼接縫錯開30°疊置，經2針/cm2的針刺密度成型環(huán)狀復合織物；交錯旋轉疊置環(huán)狀復合織物，以25針/cm2的針刺密度進行針刺；按圖6(c)所示疊置環(huán)狀復合織物，每四層環(huán)狀復合織物為一個重復結構單元，設定拼接縫夾角為15° ;最終獲得尺寸為Φ520ι πιΧ Φ IOOmmX 35mm的環(huán)狀碳纖維預制件,其層間密度為17.7層/cm，長纖維含量為67%，體積密度為0.48g/cm3，原材料利用率為70% ;按圖7 (b)所示取樣測試，該預制件制動力切線平面拉伸強度均值為2.84MPa，T型剝離強度均值為0.832KN/m, Z向連接強度均值為0.088MPa。
權利要求
1.一種環(huán)狀纖維預制件，該預制件是由環(huán)狀單元疊置針刺成型的準三維立體織物，其特征在于:環(huán)狀單元為由環(huán)狀的纖維織物與環(huán)狀的纖維網胎經預針刺定型的環(huán)狀復合織物，或為該環(huán)狀復合織物與環(huán)狀的纖維網胎疊置針刺構成環(huán)狀物；環(huán)狀纖維網胎由短切纖維薄氈或短切預氧化纖維薄氈制成。
2.如權利要求1所述環(huán)狀纖維預制件，其特征在于:環(huán)狀纖維織物由2 6個相同扇形的纖維織物拼接構成。
3.如權利要求1所述環(huán)狀纖維預制件，其特征在于:環(huán)狀復合織物中長纖維含量為50% 90%。
4.如權利要求1或2所述環(huán)狀纖維預制件，其特征在于:纖維織物的面密度為120 450g/m2，纖維規(guī)格為 50K、48K、24K、12K、6K、3K、1K。
5.如權利要求1所述環(huán)狀纖維預制件，其特征在于:短切碳纖維薄氈或短切預氧化纖維薄氈的面密度為20 300g/m2，纖維規(guī)格為320K、50K、48K、24K、12K。
6.如權利要求1所述環(huán)狀纖維預制件，其特征在于:該環(huán)狀纖維預制件層間密度為10 18層/cm，長纖維含量為45 85%。
7.如權利 要求1所述環(huán)狀纖維預制件，其特征在于:該預制件體積密度為0.35 0.70g/cm3。
8.—種權利要求1所述環(huán)狀纖維預制件的制備方法，該制備方法采用預針刺定型的針刺成型工藝，將環(huán)狀的纖維織物與環(huán)狀的纖維網胎預針刺固定連結成環(huán)狀復合織物，然后由環(huán)狀復合織物或其與環(huán)狀網胎疊置針刺構成環(huán)狀單元，由環(huán)狀單元疊置針刺成型準三維立體織物，即環(huán)狀纖維預制件。
9.如權利要求8所述制備方法，其特征在于:該制備方法的具體步驟包括: (1)將纖維織物裁剪為扇形，并拼接成環(huán)狀的纖維織物； (2)步驟(I)環(huán)狀的纖維織物與環(huán)狀的纖維網胎預針刺定型，獲得環(huán)狀復合織物，針刺密度為2 6針/cm2 ;或將該環(huán)狀復合織物與環(huán)狀的纖維網胎疊置針刺構成環(huán)狀物； (3)步驟(2)的環(huán)形復合織物或環(huán)狀物進行疊置，旋轉錯開拼接縫；并經針刺工藝在疊置層之間引入Z向纖維，針刺密度為15 35針/cm2 ;即得到環(huán)狀纖維預制件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種環(huán)狀纖維預制件及其制備方法。該預制件由包含環(huán)狀復合織物的環(huán)狀單元疊置針刺成型，且環(huán)狀復合織物由同種扇形纖維織物與環(huán)狀纖維網胎經預針刺定型。該預制件制備方法將扇形纖維織物拼接的環(huán)狀纖維織物與環(huán)狀纖維網胎預針刺固定連結成環(huán)狀復合織物，后進行環(huán)狀單元的針刺成型，實現所述的環(huán)狀纖維預制件的制備。本發(fā)明有效消除了扇形拼接纖維織物后期針刺變形錯位的現象，面內及層間均勻一致性好，具有纖維含量高、力學性能優(yōu)異、原材料利用率高等優(yōu)點，經C/C復合后摩擦材料的摩擦性能提高，綜合性能優(yōu)良。本發(fā)明可應用于飛機剎車盤復合材料預制件，也可用于高速列車和高級汽車剎車系統(tǒng)中摩擦材料預制件。
文檔編號D04H1/4374GK103233323SQ201310164378
公開日2013年8月7日 申請日期2013年5月7日 優(yōu)先權日2013年5月7日
發(fā)明者繆云良 申請人:江蘇天鳥高新技術股份有限公司