一種準(zhǔn)三維預(yù)制件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種準(zhǔn)三維預(yù)制件，它包括無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層，經(jīng)雙向喂料針刺機(jī)在無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層的垂直方向連續(xù)針刺滲透若干固定層次，在層間產(chǎn)生垂直方向纖維連接相鄰若干層，制得一種碳纖維整體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)三維預(yù)制件，所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件的體積密度為0.45～0.70g/cm3。本發(fā)明準(zhǔn)三維預(yù)制件減少碳化工藝環(huán)節(jié)，避免了碳化過程中由于長(zhǎng)短纖維收縮引起的變形，密度不均引起的結(jié)焦；優(yōu)化了預(yù)制件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及孔隙分布；在CVD過程中容易吸附承載基體碳，大大提高了飛機(jī)碳剎車盤的抗磨擦磨損性能，垂直方向的導(dǎo)熱性能、抗拉強(qiáng)度以及剪切強(qiáng)度。提高了預(yù)制件的Z向縱向增強(qiáng)纖維含量，有效控制了層間密度一致。
【專利說明】隹針刺預(yù)制件技術(shù)、碳纖維連續(xù)長(zhǎng)纖維編織固化技術(shù)。制備各種高性能(:/(:復(fù)合材料，
丨件是指X向、V向、2向均有期望的結(jié)構(gòu)強(qiáng)
示上主流技術(shù)，包括聚丙烯腈預(yù)氧化長(zhǎng)纖維胎層疊形成三維織物，經(jīng)過針刺、碳化等工；的預(yù)制件必須進(jìn)行碳化工序轉(zhuǎn)化為碳纖維空性差、工藝難度大、對(duì)設(shè)備及工藝要求高，印勺長(zhǎng)、短纖維產(chǎn)生不同應(yīng)力而蠕動(dòng)造成整5還容易造成結(jié)焦，復(fù)合成郵復(fù)合材料后I面的摩擦磨損性能均勻性會(huì)有一定影響。I氣味的白色氫氰酸胺有毒結(jié)晶體，對(duì)操作
尋烯腈基長(zhǎng)碳纖維編織而成的平面浙青浸潰熱模壓固化，經(jīng)碳化工藝，依靠碳I:方向沒有纖維連接，純粹依靠碳化過程中預(yù)制件。
[0007]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：
[0008]一種準(zhǔn)三維預(yù)制件，它包括無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層，經(jīng)雙向喂料針刺機(jī)在無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層的垂直方向連續(xù)針刺滲透若干固定層次，在層間產(chǎn)生垂直方向纖維連接相鄰若干層，制得一種碳纖維整體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)三維預(yù)制件，所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件的體積密度為 O. 45 ?O. 70g/cm3。
[0009]本發(fā)明所述的可針刺無緯織物，是由聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維徑向疊合針刺制成的厚度O. 15?O. 3mm、面密度20?300g/m2的薄層無緯織物，所述的無緯織物有利于后續(xù)針刺得到永久轉(zhuǎn)移的Z向纖維。
[0010]本發(fā)明所述的網(wǎng)胎，是由聚丙烯腈基短切碳纖維經(jīng)蒸汽或化學(xué)柔性處理、機(jī)械開松、梳理成厚度O. 15?O. 3mm、面密度20?300g/m2的薄形網(wǎng)租織物。所述的聚丙烯腈基短切碳纖維的長(zhǎng)度為60?90mm。
[0011]聚丙烯腈基短切碳纖維蒸汽處理為：聚丙烯腈基短切碳纖維加入水分使保持短切碳纖維保持40?70%濕度，25?30°C保溫I?5小時(shí)。
[0012]本發(fā)明所述的聚丙烯腈基短切碳纖維的機(jī)械開松是利用傳動(dòng)系統(tǒng)，沿著單輥開松機(jī)輥軸方向，形成“S”型布針方式，達(dá)到了對(duì)開松的纖維損傷小，松散性更好的目的。
[0013]本發(fā)明所述的網(wǎng)胎，經(jīng)過蒸汽或化學(xué)柔性改性、開松處理后，增強(qiáng)了短切碳纖維的柔軟性，并在成網(wǎng)過程中使之產(chǎn)生一定的抱和性，網(wǎng)胎形式具有隨機(jī)分布的多孔，不僅為后續(xù)碳沉積提供足夠空間，有利于沉積更多炭，提高了 C/C復(fù)合體殘?zhí)浚欢页练eC結(jié)構(gòu)分布性能好，有利于提高制成材料的整體性能。
[0014]無緯織物間鋪設(shè)網(wǎng)胎，所述的相鄰無緯織物層間優(yōu)選以O(shè)度/90度夾角交錯(cuò)鋪層，有利于節(jié)省物料。
[0015]所述的針刺密度30?50針/cm2。
[0016]所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件的層間密度10?25層/cm。所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件的厚度是10 ?400mm。
[0017]所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件的垂直方向（Z向）纖維含量25%?55%。
[0018]一種準(zhǔn)三維預(yù)制件的制作方法，其特征在于：該方法包括以下步驟：
[0019](I)、由聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維徑向疊合針刺制成的厚度O. 15?O. 3_、面密度20?300g/m2的無緯織物；由聚丙烯腈基短切碳纖維經(jīng)蒸汽或化學(xué)柔性處理、機(jī)械開松、梳理成厚度O. 15?O. 3_、面密度20?300g/m2的網(wǎng)胎；
[0020](2)、無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層，控制相鄰無緯織物層間以O(shè)度/90度夾角交錯(cuò)鋪層；
[0021](3)、經(jīng)雙向喂料針刺機(jī)在無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層的垂直方向連續(xù)針刺滲透若干固定層次，針刺密度30?50針/cm2，在層間產(chǎn)生垂直方向纖維連接相鄰若干層，制得體積密度為O. 45?O. 70g/cm3、層間密度10?25層/cm的碳纖維整體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)三維預(yù)制件。
[0022]所述的雙向喂料針刺機(jī)，包括機(jī)架、設(shè)于機(jī)架頂部的電動(dòng)機(jī)、針梁、針板、剝網(wǎng)板、對(duì)應(yīng)于剝網(wǎng)板的下方的托網(wǎng)板、用于控制托網(wǎng)板升降的蝸輪絲桿升降部件，在所述在機(jī)架上部通過軸承安裝水平轉(zhuǎn)軸，水平轉(zhuǎn)軸通過皮帶由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，在水平轉(zhuǎn)軸左右兩側(cè)安裝有兩個(gè)雙向凸輪，對(duì)應(yīng)于所述雙向凸輪下方安裝有第一雙向?qū)е?，第一雙向?qū)е蛯?duì)應(yīng)的雙向凸輪接觸，針梁固定在第一雙向?qū)е?，在水平轉(zhuǎn)軸位于兩個(gè)雙向凸輪外側(cè)還設(shè)有兩個(gè)第二雙向?qū)е?，第二雙向?qū)е露嗽O(shè)有油缸，所述油缸和剝網(wǎng)板固定；在對(duì)應(yīng)托網(wǎng)板水平面的兩側(cè)設(shè)有喂給簾；所述蝸輪絲桿升降部件包括蝸輪、絲桿，4個(gè)蝸輪固定在機(jī)架底板上，4根絲桿由蝸輪驅(qū)動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)，4根絲桿頂端共同固定托網(wǎng)板；所述的蝸輪絲桿升降部件和喂給簾通過自動(dòng)化調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制。
[0023]在生產(chǎn)過程中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)水平轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)雙向凸輪、第一雙向?qū)е?、第二雙向?qū)еM(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行針刺；通過自動(dòng)化調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制兩側(cè)的喂給簾喂料頻率和速度、并且控制蝸輪絲桿升降部件調(diào)節(jié)雙向喂料針刺機(jī)的托網(wǎng)板下降，制品越厚托網(wǎng)板越低。一側(cè)喂給簾給料時(shí)同步進(jìn)行針刺，針刺完得到固定層次的預(yù)制品，調(diào)整托網(wǎng)板下降，與另一側(cè)喂給簾輸入的新料疊合進(jìn)行針刺滲透若干固定層次，直至得到一定厚度的準(zhǔn)三維預(yù)制件。針刺過程中由于剝網(wǎng)板上油缸作用，有效控制準(zhǔn)三維預(yù)制件的密度和層間密度。
[0024]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果:
[0025]1、采用聚丙烯腈基碳纖維代替聚丙烯腈預(yù)氧化纖維，減少碳化工藝環(huán)節(jié)，避免了碳化過程中由于長(zhǎng)短纖維收縮引起的變形，密度不均引起的結(jié)焦。利用？燦扣？制備的網(wǎng)胎作為預(yù)制件的填充層面，在后續(xù)針刺成型過程中容易產(chǎn)生2向纖維提高預(yù)制件2向強(qiáng)度，優(yōu)化了預(yù)制件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及孔隙分布。
[0026]2、飛機(jī)碳剎車是一種圓形超高強(qiáng)的摩擦材料，鑒于它的運(yùn)動(dòng)方向，長(zhǎng)碳纖維無緯織物在X、I平面方向合理的鋪設(shè)不同角度，提供給制造飛機(jī)剎車盤的預(yù)制件最優(yōu)的平面抗拉、抗折強(qiáng)度。
[0027]3、采用短切碳纖維網(wǎng)胎與長(zhǎng)纖維無緯織物鋪設(shè)疊層，連續(xù)針刺滲透若干固定層次，并且與毗鄰的若干固定層次相接的準(zhǔn)三維立體織物，針刺給垂直方向增加了一定量的2向縱向連續(xù)貫穿性纖維，使之在過程中容易吸附承載基體碳，從而大大提高了飛機(jī)碳剎車盤的抗磨擦磨損性能，垂直方向的導(dǎo)熱性能、抗拉強(qiáng)度以及剪切強(qiáng)度。
[0028]4、無緯織物僅只有單方向張力，且無纖維搭接，降低了穿刺引導(dǎo)連續(xù)纖維阻力，且針刺對(duì)纖維損傷也少，通過增加針刺厚度，可以將疊層的短切纖維網(wǎng)胎與長(zhǎng)碳纖維平面織物，進(jìn)行連續(xù)針刺逐漸滲透若干固定層次，提高了預(yù)制件的2向縱向增強(qiáng)纖維含量，有效控制了層間密度一致。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明準(zhǔn)三維預(yù)制件的三維結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖1中，31-無緯織物，32-網(wǎng)胎。
[0031]圖2是雙向喂料針刺機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖3是雙向喂料針刺機(jī)的側(cè)視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0033]結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0034]如圖2和圖3所示，一種雙向喂料針刺機(jī)，包括機(jī)架1、設(shè)于機(jī)架1頂部的電動(dòng)機(jī)
2、針梁9、針板10、剝網(wǎng)板12、對(duì)應(yīng)于剝網(wǎng)板12的下方的托網(wǎng)板13、用于控制托網(wǎng)板13升降的蝸輪絲桿升降部件，水平轉(zhuǎn)軸4通過軸承3安裝在機(jī)架1上部，水平轉(zhuǎn)軸4通過皮帶11由電動(dòng)機(jī)2驅(qū)動(dòng)，在水平轉(zhuǎn)軸4左右兩側(cè)安裝有兩個(gè)雙向凸輪5，對(duì)應(yīng)于所述雙向凸輪5下方安裝有第一雙向?qū)е?，第一雙向?qū)е?和對(duì)應(yīng)的雙向凸輪5接觸，針梁9固定在第一雙向?qū)е?下，在水平轉(zhuǎn)軸4位于兩個(gè)雙向凸輪5外側(cè)還設(shè)有兩個(gè)第二雙向?qū)е?，第二雙向?qū)е?下端設(shè)有油缸8，所述油缸8和剝網(wǎng)板12固定；在對(duì)應(yīng)托網(wǎng)板13水平面的兩側(cè)設(shè)有喂給簾16 ;所述蝸輪絲桿升降部件包括蝸輪15、絲桿14，4個(gè)蝸輪15固定在機(jī)架底板上，4根絲桿14由蝸輪15驅(qū)動(dòng)上下運(yùn)動(dòng)，4根絲桿14頂端共同固定托網(wǎng)板13 ;所述的蝸輪絲桿升降部件和喂給簾16通過自動(dòng)化調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制。
[0035]在生產(chǎn)過程中，電動(dòng)機(jī)2驅(qū)動(dòng)水平轉(zhuǎn)軸4帶動(dòng)雙向凸輪5、第一雙向?qū)е?、第二雙向?qū)е?進(jìn)行上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行針刺；通過自動(dòng)化調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制兩側(cè)的喂給簾16喂料頻率和速度、并且控制蝸輪絲桿升降部件調(diào)節(jié)雙向喂料針刺機(jī)的托網(wǎng)板13下降，制品越厚托網(wǎng)板越低。一側(cè)喂給簾16給料時(shí)同步進(jìn)行針刺，針刺完得到固定層次的預(yù)制品，調(diào)整托網(wǎng)板13下降，與另一側(cè)喂給簾16輸入的新料疊合進(jìn)行針刺滲透若干固定層次，直至得到一定厚度的準(zhǔn)三維預(yù)制件。針刺過程中由于剝網(wǎng)板12上油缸8作用，有效控制準(zhǔn)三維預(yù)制件的密度和層間密度。
[0036]實(shí)施例I
[0037]將聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維切成長(zhǎng)度為60mm的聚丙烯腈基短切碳纖維，噴灑水分使短切碳纖維保持40%濕度，保持溫度在25°C下5小時(shí)，使其軟化改性，取出短切纖維后沿著單輥開松機(jī)輥軸方向，形成“S”型布針方式，開松呈90%松散度絮狀纖維絨，然后由梳理機(jī)疏理成厚度O. 3mm、面密度200g/m2的薄形網(wǎng)氈織物（網(wǎng)胎)。將聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維徑向疊合針刺成厚度O. 3mm、面密度250g/m2的薄層無緯織物。如圖I所示，將無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層，相鄰無緯織物層間以O(shè)度/90度夾角交錯(cuò)鋪層，并使最外兩層均為無緯織物，按照針刺密度40針/cm2在無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層的垂直方向（Z方向)連續(xù)針刺滲透，通過自動(dòng)化調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制蝸輪絲桿升降部件使托網(wǎng)板一次下降5mm，直至針刺成厚度400mm的準(zhǔn)三維預(yù)制件，制得的準(zhǔn)三維預(yù)制件層間密度20層/cm、體積密度O. 45g/cm3、垂直方向纖維含量38%。
[0038]實(shí)施例2
[0039]將聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維切成長(zhǎng)度為70mm的聚丙烯腈基短切碳纖維，用十八烷基二甲基羥乙基季銨硝酸鹽噴濕表面，置于密閉容器中存放20小時(shí)，使其軟化改性，取出在常溫下脫水烘干，短切纖維后沿著單輥開松機(jī)輥軸方向，形成“S”型布針方式，開松呈90%松散度絮狀纖維絨，然后由梳理機(jī)疏理成厚度O. 15mm、面密度80g/m2的薄形網(wǎng)氈織物（網(wǎng)胎)。將聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維定向疊合針刺成厚度O. 15mm、面密度100g/m2的薄層無緯織物。如圖I所示，將無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層，相鄰無緯織物層間以O(shè)度/90度夾角交錯(cuò)鋪層，并使最外兩層均為無緯織物，按照針刺密度45針/cm2在無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層的垂直方向（Z方向）連續(xù)針刺滲透，通過自動(dòng)化調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制蝸輪絲桿升降部件使托網(wǎng)板一次下降4mm，直至針刺成厚度300mm的準(zhǔn)三維預(yù)制件，制得的準(zhǔn)三維預(yù)制件層間密度19層/cm、體積密度O. 70g/cm3、垂直方向纖維含量45%。
[0040]實(shí)施例3
[0041]將聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維切成長(zhǎng)度為80mm的聚丙烯腈基短切碳纖維，噴灑水分使短切碳纖維保持70%濕度，保持溫度在25°C下3小時(shí)，使其軟化改性，取出后短切纖維后沿著單輥開松機(jī)輥軸方向，形成“S”型布針方式，開松呈90%松散度絮狀纖維絨，然后由梳理機(jī)疏理成厚度O. 2mm、面密度125g/m2的薄形網(wǎng)氈織物（網(wǎng)胎)。將聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維定向疊合針刺成厚度O. 25mm、面密度200g/m2的薄層無緯織物。如圖I所示，將無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層，相鄰無緯織物層間以O(shè)度/90度夾角交錯(cuò)鋪層，并使最外兩層均為無緯織物，按照針刺密度50針/cm2在無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層的垂直方向（Z方向)連續(xù)針刺滲透，通過自動(dòng)化調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制蝸輪絲桿升降部件使托網(wǎng)板一次下降5mm，直至針刺成厚度350mm的準(zhǔn)三維預(yù)制件，制得的準(zhǔn)三維預(yù)制件層間密度16層/cm、體積密度O. 65g/cm3,垂直方向纖維含量55%。
[0042]實(shí)施例4
[0043]將聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維切成長(zhǎng)度為85mm的聚丙烯腈基短切碳纖維，噴灑水分使短切碳纖維保持60%濕度，保持溫度在25°C下2小時(shí)，使其軟化改性，取出后短切纖維后沿著單輥開松機(jī)輥軸方向，形成“S”型布針方式，開松呈90%松散度絮狀纖維絨，然后由梳理機(jī)疏理成厚度O. 25mm、面密度150g/m2的薄形網(wǎng)氈織物（網(wǎng)胎)。將聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維定向疊合針刺成厚度O. 25mm、面密度200g/m2的薄層無緯織物。如圖I所示，將無緯織物在X、Y方向不同角度鋪設(shè)和網(wǎng)胎交替疊層，相鄰無緯織物在X、Y方向的鋪設(shè)角度為60度，并使最外兩層均為無緯織物，按照針刺密度50針/cm2、針刺厚度350_在無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層的垂直方向（Z方向）連續(xù)針刺滲透，通過自動(dòng)化調(diào)速電動(dòng)機(jī)控制蝸輪絲桿升降部件使托網(wǎng)板一次下降4mm，直至針刺成厚度80mm的準(zhǔn)三維預(yù)制件，制得的準(zhǔn)三維預(yù)制件層間密度12層/cm、體積密度O. 60g/cm3、垂直方向纖維含量52%。
【權(quán)利要求】
1.一種準(zhǔn)三維預(yù)制件，其特征在于：它包括無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層，經(jīng)雙向喂料針刺機(jī)在無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層的垂直方向連續(xù)針刺滲透若干固定層次，在層間產(chǎn)生垂直方向纖維連接相鄰若干層，制得一種碳纖維整體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)三維預(yù)制件，所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件的體積密度為O. 45?O. 70g/cm3。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件，其特征在于：所述的無緯織物是由聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維徑向疊合針刺制成的厚度O. 15?O. 3mm、面密度20?300g/m2的薄層無紡織物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件，其特征在于：所述的網(wǎng)胎是由聚丙烯腈基短切碳纖維經(jīng)蒸汽或化學(xué)柔性處理、機(jī)械開松、梳理成厚度O. 15?O. 3mm、面密度20?300g/m2的薄形網(wǎng)氈織物；所述的聚丙烯腈基短切碳纖維的長(zhǎng)度為60?90_。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件，其特征在于：所述的相鄰無緯織物層間以O(shè)度/90度夾角交錯(cuò)鋪層。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件，其特征在于：針刺密度30?50針/cm2。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件，其特征在于：所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件的層間密度10?25層/cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件，其特征在于：所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件的厚度是10 ?400mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件，其特征在于：所述的準(zhǔn)三維預(yù)制件的垂直方向纖維含量25%?55%。
9.一種準(zhǔn)三維預(yù)制件的制作方法，其特征在于：該方法包括以下步驟： (1)、由聚丙烯腈基長(zhǎng)碳纖維徑向疊合針刺制成的厚度O.15?O. 3mm、面密度20?300g/m2的無緯織物；由聚丙烯腈基短切碳纖維經(jīng)蒸汽或化學(xué)柔性處理、機(jī)械開松、梳理成厚度O. 15?O. 3_、面密度20?300g/m2的網(wǎng)胎； (2)、無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層，控制相鄰無緯織物層間以O(shè)度/90度夾角交錯(cuò)鋪層； (3)、經(jīng)雙向喂料針刺機(jī)在無緯織物和網(wǎng)胎交替疊層的垂直方向連續(xù)針刺滲透若干固定層次，針刺密度30?50針/cm2，在層間產(chǎn)生垂直方向纖維連接相鄰若干層，制得體積密度為O. 45?O. 70g/cm3、層間密度10?25層/cm的碳纖維整體結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)三維預(yù)制件。
【文檔編號(hào)】D04H1/4242GK103835067SQ201410092438
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2014年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月13日
【發(fā)明者】蔣洪亮, 謝美琴 申請(qǐng)人:宜興市宜泰碳纖維織造有限公司