CN102729539A - 碳纤维穿刺预制体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种碳纤维穿刺预制体及其制备方法，经纤维切制－铺设成网－编织成布－预针刺复合－叠层预压缩－穿刺复合－裁切成形工序制成各种形状和尺寸的预制体，由于本发明采用网胎与编织布预针刺复合成单元层，若干单元层层叠、预压缩并穿刺复合制成预制体，合理配置碳纤维及制备方法，提高层与层之间的结合力，确保预制体整体的结构强度，提高后续沉积产品的结构强度，满足航空航天结构件、高温轻质结构件等的结构强度要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种碳纤维穿刺预制体及其制备方法。
背景技术
碳纤维穿刺预制体经现代化的化学高温、碳/碳沉积工艺处理后，具有耐高温、耐腐蚀、耐摩擦、质轻等优良特性，是现代化发展公认的高科技新材料，是航空航天重要结构件、高温轻质结构件等的新型产品。
中国专利200810150575.6公开了一种碳/碳化硅复合材料的制备方法，该方法采用将碳纤维编织成单层平纹布，再将多层平纹布叠加，用碳纤维将叠层穿刺缝合在一起，形成碳纤维预制体；将碳纤维预制体置于真空炉中进行除胶和预处理；然后沉积热解碳，得到多孔的C/C复合材料；对多孔C/C复合材料进行热处理；采用CVI方法对处理后的C/C复合材料浸渗SIC基体，得到C/SIC复合材料。上述专利只是将多层碳纤维平纹布叠层穿刺缝合在一起，而且发明中采用的只是单一的碳纤维平纹布叠层，针对预制体应用领域的不同，平纹布制成的预制体是无法满足各应用领域的使用要求；另外，Z向直接采用碳纤维缝合，预制体整体结合力及结构强度也无法保证达到最大程度的使用要求。采用上述工艺制备的预制体经后续沉积工艺后，难以满足一些重要结构件，如航空航天结构件、高温轻质结构件等的结构强度要求。
发明内容
本申请人针对上述的问题，进行了研究改进，提供一种碳纤维穿刺预制体及其制备方法，合理配置碳纤维及制备方法，确保预制体整体的结构强度，提高后续沉积产品的结构强度，满足航空航天结构件、高温轻质结构件等的结构强度要求。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种碳纤维穿刺预制体，由若干个单元层层叠、预压缩并由Z向碳纤维穿刺复合而成，所述单元层由至少一层网胎与至少一层编织布层叠并预针刺复合而成；所述网胎由10－100mm长的碳纤维铺设制成，所述编织布由碳纤维编织而成。
进一步的：
所述编织布为平纹布、斜纹布、无纬布或缎纹布的一种。
编织布的表面密度为50－700 g/m2，厚度为0.2－0.85mm。
网胎的表面密度为20－250g/m2 ，厚度为0.1－0.5mm。
所述Z向碳纤维为1K、3K、6K、12K、24K、48K碳纤维的一种。
一种碳纤维穿刺预制体的制备方法，包括以下步骤：
A、将碳纤维切制成10－100mm长的纤维，将短纤维放入烘箱内加热到100－180度，保温12－18小时，取出短纤维后经开松机开松形成松散状纤维，并在纤维表面喷洒水分，使松散状纤维保持1－3%的湿度，利用自动铺层设备将松散状纤维铺设成网胎，网胎的表面密度为20－250g/m2 ，厚度为0.1－0.5mm；
B、将碳纤维通过编织机制成编织布，编织布的面密度为50－700 g/m2，厚度为0.2－0.85mm；
C、将至少一层网胎与至少一层编织布层叠并进行预针刺复合成为一个单元层，每个单元层中网胎的重量百分比含量在15－55%，编织布的重量百分比含量在45－85%，针刺密度控制在10－30针/cm3，层间密度控制在10－50 层/ cm；
D、以步骤C制备的单元层为基本单元，根据需要将若干个单元层层叠，利用自动压机在垂直方向施加50－200N压力并压缩到所需厚度；经预测流程机预测，确定穿刺间距和穿刺行程，根据对预制体的不同性能要求，在Z向穿入碳纤维，利用穿刺设备将Z向碳纤维穿过整个预制体，穿刺行程为Z向连续进行，使构成预制体的各个单元层牢固结合在一起；穿刺间距为1.2－3.5mm，制备的预制体的密度为0.45－0.85g/cm3。
进一步的：
步骤D所述的Z向碳纤维为1K、3K、6K、12K、24K、48K碳纤维的一种。
本发明的技术效果在于：
本发明公开的一种碳纤维穿刺预制体及其制备方法，采用网胎与编织布预针刺复合成单元层，若干单元层层叠、预压缩并穿刺复合制成预制体，合理配置碳纤维及制备方法，提高层与层之间的结合力，确保预制体整体的结构强度，提高后续沉积产品的结构强度，满足航空航天结构件、高温轻质结构件等的结构强度要求。
具体实施方式
下面结合本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
实施例1、
碳纤维穿刺预制体的制备方法，包括以下步骤：
A、将碳纤维切制成30mm长的纤维，将短纤维放入烘箱内加热到120度，保温12小时，取出短纤维后经开松机开松形成松散状纤维，并在纤维表面喷洒水分，使松散状纤维保持2%的湿度，利用自动铺层设备将松散状纤维铺设成网胎，网胎的表面密度为60g/m2 ，厚度为0.2mm；
B、将碳纤维通过编织机制成平纹布，平纹布的面密度为150 g/m2，厚度为0.27mm；
C、将一层网胎与一层平纹布层叠并进行预针刺复合成为一个单元层，每个单元层中网胎的重量百分比含量在25%，平纹布的重量百分比含量在75%，针刺密度控制在12针/cm3，层间密度控制在21层/cm；
D、以步骤C制备的单元层为基本单元，根据需要将21个单元层层叠，利用自动压机在垂直方向施加80N压力并压缩到10mm厚度；经预测流程机预测，确定穿刺间距和穿刺行程，根据对预制体的不同性能要求，以1K碳纤维作为Z向碳纤维，在Z向穿入3股1K碳纤维，利用穿刺设备将Z向碳纤维穿过整个预制体，穿刺行程为Z向连续进行，使构成预制体的各个单元层牢固结合在一起；穿刺间距为1.2 mm，制备的预制体的密度为0.57g/cm3。
通过上述的制备过程，得到由21个单元层层叠、预压缩并由1K碳纤维穿刺复合而成的预制体，每个单元层由一层网胎与一层平纹布层叠并进行预针刺复合而成。经裁切成形后可制成各种形状和尺寸的预制体。
实施例2、
碳纤维穿刺预制体的制备方法，包括以下步骤：
A、将碳纤维切制成60mm长的纤维，将短纤维放入烘箱内加热到150度，保温15小时，取出短纤维后经开松机开松形成松散状纤维，并在纤维表面喷洒水分，使松散状纤维保持2%的湿度，利用自动铺层设备将松散状纤维铺设成网胎，网胎的表面密度为230g/m2 ，厚度为0.38mm；
B、将碳纤维通过编织机制成斜纹布，斜纹布的面密度为50 g/m2，厚度为0.20mm；
C、将5层斜纹布与1层网胎层叠并进行预针刺复合成为一个单元层，每个单元层中网胎的重量百分比含量在48%，斜纹布的重量百分比含量在52%，针刺密度控制在25针/cm3，层间密度控制在10层/cm；
D、以步骤C制备的单元层为基本单元，根据需要将10个单元层层叠，利用自动压机在垂直方向施加120N压力并压缩到10mm厚度；经预测流程机预测，确定穿刺间距和穿刺行程，根据对预制体的不同性能要求，以6K碳纤维作为Z向碳纤维，在Z向穿入2股6K碳纤维，利用穿刺设备将Z向碳纤维穿过整个预制体，穿刺行程为Z向连续进行，使构成预制体的各个单元层牢固结合在一起；穿刺间距为2.0 mm，制备的预制体的密度为0.68g/cm3。
通过上述的制备过程，得到由10个单元层层叠、预压缩并由6K碳纤维穿刺复合而成的预制体，每个单元层由5层斜纹布与1层网胎层叠并进行预针刺复合而成。经裁切成形后可制成各种形状和尺寸的预制体。
实施例3、
碳纤维穿刺预制体的制备方法，包括以下步骤：
A、将碳纤维切制成70mm长的纤维，将短纤维放入烘箱内加热到170度，保温12小时，取出短纤维后经开松机开松形成松散状纤维，并在纤维表面喷洒水分，使松散状纤维保持3%的湿度，利用自动铺层设备将松散状纤维铺设成网胎，网胎的表面密度为20g/m2 ，厚度为0.1mm；
B、将碳纤维通过编织机制成缎纹布，缎纹布的面密度为230 g/m2，厚度为0.35mm；
C、将两层网胎与一层缎纹布层叠并进行预针刺复合成为一个单元层，每个单元层中网胎的重量百分比含量在15%，缎纹布的重量百分比含量在85%，针刺密度控制在30针/cm3，层间密度控制在30层/cm；
D、以步骤C制备的单元层为基本单元，根据需要将30个单元层层叠，利用自动压机在垂直方向施加150N压力并压缩到10mm厚度；经预测流程机预测，确定穿刺间距和穿刺行程，根据对预制体的不同性能要求，以1K碳纤维作为Z向碳纤维，在Z向穿入2股1K碳纤维，利用穿刺设备将Z向碳纤维穿过整个预制体，穿刺行程为Z向连续进行，使构成预制体的各个单元层牢固结合在一起；穿刺间距为2.5 mm，制备的预制体的密度为0.83g/cm3。
通过上述的制备过程，得到由30个单元层层叠、预压缩并由1K碳纤维穿刺复合而成的预制体，每个单元层由两层网胎与一层缎纹布层叠并进行预针刺复合而成。经裁切成形后可制成各种形状和尺寸的预制体。
在上述实施例中，根据不同的需求，Z向碳纤维可选用1K、3K、6K、12K、24K、48K碳纤维的一种，Z向碳纤维在Z向穿入的方向是指垂直于单元层平面的方向。采用本发明制备方法生产的碳纤维穿刺预制体，经纤维切制－铺设成网－编织成布－预针刺复合－叠层预压缩－穿刺复合－裁切成形工序制成各种形状和尺寸的预制体。在预制体制备过程中，单元层的层数可根据预制体的需求确定，单元层先进行预针刺复合，多个单元层叠层并预压缩后，以Z向碳纤维穿刺复合，使构成预制体的各个单元层牢固结合在一起，最大程度上保证不损伤纤维的性能，同时也保证各个单元层之间的结合强度，从而增强预制体整体的结构强度和性能。利用本发明形成的穿刺预制体可制作成各种形状、大小尺寸的预制体，经后续沉积工艺后，预制体具有高强度、耐高温、耐腐蚀等优良性能，可用作航空航天结构件、高温轻质结构件等的制造。
Claims (7)
1.一种碳纤维穿刺预制体，其特征在于：由若干个单元层层叠、预压缩并由Z向碳纤维穿刺复合而成，所述单元层由至少一层网胎与至少一层编织布层叠并预针刺复合而成；所述网胎由10－100mm长的碳纤维铺设制成，所述编织布由碳纤维编织而成。
2.按照权利要求1所述的碳纤维穿刺预制体，其特征在于：所述编织布为平纹布、斜纹布、无纬布或缎纹布的一种。
3.按照权利要求1或2所述的碳纤维穿刺预制体，其特征在于：编织布的表面密度为50－700 g/m2，厚度为0.2－0.85mm。
4.按照权利要求1或2所述的碳纤维穿刺预制体，其特征在于：网胎的表面密度为20－250g/m2 ，厚度为0.1－0.5mm。
5.按照权利要求1或2所述的碳纤维穿刺预制体，其特征在于：所述Z向碳纤维为1K、3K、6K、12K、24K、48K碳纤维的一种。
6.一种碳纤维穿刺预制体的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
A、将碳纤维切制成10－100mm长的纤维，将短纤维放入烘箱内加热到100－180度，保温12－18小时，取出短纤维后经开松机开松形成松散状纤维，并在纤维表面喷洒水分，使松散状纤维保持1－3%的湿度，利用自动铺层设备将松散状纤维铺设成网胎，网胎的表面密度为20－250g/m2 ，厚度为0.1－0.5mm；
B、将碳纤维通过编织机制成编织布，编织布的面密度为50－700 g/m2，厚度为0.2－0.85mm；
C、将至少一层网胎与至少一层编织布层叠并进行预针刺复合成为一个单元层，每个单元层中网胎的重量百分比含量在15－55%，编织布的重量百分比含量在45－85%，针刺密度控制在10－30针/cm3，层间密度控制在10－50 层/ cm；
D、以步骤C制备的单元层为基本单元，根据需要将若干个单元层层叠，利用自动压机在垂直方向施加50－200N压力并压缩到所需厚度；经预测流程机预测，确定穿刺间距和穿刺行程，根据对预制体的不同性能要求，在Z向穿入碳纤维，利用穿刺设备将Z向碳纤维穿过整个预制体，穿刺行程为Z向连续进行，使构成预制体的各个单元层牢固结合在一起；穿刺间距为1.2－3.5mm，制备的预制体的密度为0.45－0.85g/cm3。
7. 按照权利要求6所述的碳纤维穿刺预制体的制备方法，其特征在于：步骤D所述的Z向碳纤维为1K、3K、6K、12K、24K、48K碳纤维的一种。
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