CN107475899B - 一种密度可控的仿形回转体的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种密度可控的仿形回转体的制备方法，由两层以上的单元层依次叠加，再依次经仿形针刺和缝合后，得密度可控的仿形回转体。采用本发明可实现密度可控的、任意变截面中心对称回转体的仿形针刺成型，可应用于航空航天抗烧蚀部件等方面。

Description

一种密度可控的仿形回转体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种密度可控的仿形回转体的制备方法，属于回转体成型技术领域。
背景技术
针刺技术是源于纺织工业的非织造布技术，是采用专门设计的带有倒钩的刺针，在基布、网胎或复合叠层材料上进行针刺，当针退回原位时，部分面内短切纤维被转移到厚度方向，相邻层的铺层均采用这种针刺手段形成一体结构；针刺技术由于其快速低成本的优势，并且能够满足一些特定使用环境的要求，已在先进航空、航天飞行器上得到广泛的应用，具有极好的发展前景。
现有技术多采用网胎与布经针刺成型工艺制备仿形回转体织物，是解决了快速，低成本制造，但是其体积密度偏低、不可控、且层间连接强度偏低，用作性能要求一般的航空，航天部件上可以满足使用要求，但是对于要求体积密度均匀，层间连接强度高的耐高温抗烧蚀部件而言，现有工艺不能满足要求。
例如：中国专利公开号CN1255600C，公告日是2006年5月10日，名称为“一种可针刺无纺织物及准三维预制件”中公开了一种由聚丙烯腈基碳纤维预制薄层无纺织物及编织布，以及经多重交替叠层针刺形成的准三维预制件，克服了已有采用以长条OPF编织布为主叠层针刺预制件的缺陷，大大缩短了碳/碳复合材料的制作工期，且预制体层间结合力强，体积密度均匀，整体稳定不变形，不分层，但不适于回转体的制备。
中国专利公开号CN102995297A，公告日是2013年3月27日，名称为“石英纤维准三维仿形预制件的制备方法”中公开了一种石英纤维准三维仿形预制件的制备方法，采用石英纤维布与石英纤维或石英纤维网胎沿平面方向或多曲面方向铺设，而后沿平面垂直方向或多曲面法向方向针刺，逐层叠加，逐层针刺到产品所需尺寸，该发明针对现有技术的大尺寸仿形结构整体成型难加工的问题，提出技术方案，但其体积密度偏低，适用于透波材料部件上，不适于回转体的制备。
中国专利公告号CN106346635A，公告日是2017年1月25日，名称为“一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法”中公开了一种快速、低成本不封顶或封顶高密度回转型针刺预成型体的制备方法，在结构上用方格布代替网胎提供Z向连接纤维，可实现基布与方格布组合方式可设计；以设计的针刺幅宽、针刺密度、针刺深度等针刺参数制备单元层，经等静压精确控制单元层厚度并消除内应力，再根据不同产品外形分别使用卧式和立式针刺毡设备及其配套工装完成高密度回转型针刺预成型体的制备，但不适于密度可调控、任意变截面中心对称回转体的制备。
发明内容
为了解决现有技术中无法制备密度可调控、任意变截面中心对称回转体的缺陷，本发明提供一种密度可控的仿形回转体的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种密度可控的仿形回转体的制备方法，由两层以上的单元层依次叠加，再依次经仿形针刺和缝合后，得密度可控的仿形回转体。
本申请可实现任意变截面中心对称回转体的仿形成型。
上述密度可控的仿形回转体的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：
步骤一、采用回转体针刺成型设备，根据产品外形特点，在针板上排布长短不一的刺针，所有刺针针尖所形成的外形与密度可控的仿形回转体的母线形状一致；
步骤二、制作外形与密度可控的仿形回转体外形一致的实木模具，并在实木模具外表面粘结化纤毡材料层；
步骤三、将单元层均匀缠铺于化纤毡材表面，相邻两层单元层的搭接缝交错布置，然后针刺，针刺时，利用剥网板压力闭环控制方法，控制预制体密度均匀性，得到针刺成型的预制体；
步骤四、将针刺成型的预制体通过加压工装控制到到所设计的厚度，利用纺织缝合针将缝合纤维束沿预制体厚度方向采用贯穿缝合，得密度可控的仿形回转体。
上述步骤二中，化纤毡材料层的粘结方式为：在化纤毡材料上均匀涂覆热熔胶，使其粘合于模具表面，保证外表面无明显褶皱。化纤毡材料层的外表面与密度可控的仿形回转体的内表面形状一致，大小相等。
剥网板压力闭环控制方法，包含压力感应器及压力调节装置、上位机；压力感应器置于压力调节装置上，压力调节装置置于回转体针刺成型设备的剥网板之上，压力感应器实时反馈剥网板压力变化；通过回转体针刺成型设备的触摸屏设置初始的剥网板压力值F0，该压力值由产品所需公分层数进行设计(压力值越高，公分层也提升，成正比例对应关系)，同时计算每次叠层针刺单元层铺放厚度下对应的剥网板压力变化值Fi(i＝1，2，…..，n)，单元层针刺成型过程中通过监测压力感应器反馈的剥网板压力值的变化，并通过压力调节装置实时调节，最终实现预制体的体积密度可调控；回转体的体积密度范围区间为0.4～0.7g/cm3。
本发明采用将针刺技术与缝合技术相结合的方式实现，即回转体的制备是分两步成型——先针刺后缝合，缝合技术是指在给定织物平面尺寸和间距的情况下，使用缝合纤维将预成型件沿厚度方向缝合成一个整体。缝合技术的主要特点是：织物平面方向铺层可设计性强，织物仿形性好，材料力学性能优良。
本发明根据产品母线变化特点、高低差布针，利用长短刺针排布达到近似仿形，实现任意变截面中心对称回转体的仿形针刺成型，提高产品的仿形性；采用针刺加缝合工艺，Z向采用缝合的方式引入连续纤维，使得层与层之间不仅有短纤维，而且具有分布均匀的连续纤维，具有层间强度高，整体性能高的特点。控制方式上，利用剥网板压力闭环控制方法，实现剥网板压力可设计，可调节，实现预制体层间密度可控可调。采用本发明可实现密度可控的、任意变截面中心对称回转体的仿形针刺成型，可在航空航天抗烧蚀部件等方面得到广泛应用。
单元层通过组合叠层针刺后进行缝合形成密度可控的仿形回转体织物。不仅保留了现有技术中针刺整体毡结构的C/C复合整体性完好，烧蚀均匀的特点，而且针刺+缝合的成型方法更有利于提高材料的层间抱合力，不易分层，确保Z向结构与整体性能的稳定。
仿形回转体织物层间具备缝合连续纤维和针刺短纤维，连续纤维的含量高且分布均匀，环向、母向和层间均分布连续纤维，层间结合强度好、力学性能高，成型速度快，仿形精度高。
为了进一步保证所得回转体的完整性，同时保护刺针，步骤二中，化纤毡材料层的克重为2500-3000g/m2，厚度为1±0.2cm。
步骤三中，作为现有技术，针刺时，实木模具位于刺针下方。
上述步骤三中，相邻两层单元层的搭接缝交错布置指邻两层单元层的搭接缝不在同一位置。优选，步骤三中，所有单元层的搭接缝沿实木模具周向均匀分布。
为了进一步提高所得回转体的力学性能，步骤三中，一次针刺深度为13-15mm。
本申请针刺为：组合叠层针刺，即将单元层铺一层针刺一层，针刺的时候，根据刺针工作区长度，一般工作段长度为13-15mm，进行针刺，相邻层的针刺均采用这种手段。
为了进一步保证回转体的层间结合强度，步骤三中，单元层至少包括叠加在一起的一层网胎和一层基布，以及将网胎和基本连为一体的Z向连续纤维。其中，网胎与基布的配比可根据产品设计要求进行调整。
单元层的展开形状与所制得的回转体的展开形状相同，单元层缠铺于化纤毡材表面针刺、缝合后形成回转体，单元层的层数根据目标回转体的厚度设计。
步骤三、四中，预制体指针刺成型的预制体。
为了进一步提高所得回转体的力学性能，步骤三中，针刺密度为20～50针/cm2。针刺频率和旋转速度工艺参数根据回转体针刺密度的变化进行调整，针刺密度＝针板排针密度*针刺频率/旋转速度。
为了进一步提高所得回转体的力学性能，步骤四中，缝合针距为2～30mm，缝合行距为2～30mm。可根据产品性能调整。
步骤三中，利用剥网板压力闭环控制方法，实现剥网板压力可设计、可调节，有效控制层密度，实现预制体的体积密度在一定范围内可调控。
为了保证所得回转体的力学性能和均匀性，步骤三中，所得针刺成型的预制体的体积密度范围区间为0.4～0.7g/cm3。
步骤一中，根据产品母线变化特点、高低差布针，利用刺针排布实现近似仿形，可实现任意变截面中心对称回转体的仿形针刺成型。
步骤三中，回转体针刺设备上剥网板根据产品外形进行仿形设计，保证仿形精度，以及加压均匀性。
为了进一步提高所得回转体的力学性能和使用性能，单元层所用纤维品种为碳纤维、石英纤维、碳化硅纤维或莫来石纤维等高性能纤维。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明的有益的技术效果在于：
⑴根据产品母线变化特点、高低差布针，利用长短刺针排布直接实现产品的近似仿形，该方法填补了利用针刺工艺成型回转体的空白；实现了变截面回转体针刺成型，且仿形精度更高。
⑵进一步，层间采用基布与纤维网胎交替铺层，单元层通过组合叠层针刺后进行缝合形成密度可控的针刺+缝合预制体，不仅保留了现有技术中针刺整体毡结构的C/C复合整体性完好，烧蚀均匀的特点，而且针刺技术结合缝合技术的成型方法更有利于提高材料的层间抱合力，不易分层，确保Z向结构与整体性能的稳定，制备效率高、成本低。
⑶进一步，采用剥网板压力闭环控制方法，能够有效控制针刺预制体的层间密度，实现预制体的体积密度可调控。满足航空航天领域内不同部件材料结构强度要求。本发明适合产业化生产。
附图说明
图1为实施例1刺针排布示意图；
图2为实施例2刺针排布示意图；
图中，1为针板，2为刺针，3为实木模具。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例1：制备碳纤维回转体织物，两端粗、中间细的形状，大端(两端)外径Ф350mm，大端内径Ф310mm，喉部(中间最小直径处)直径Ф100mm，高度(回转体轴向长度)为220mm。设计单元层采用一层3K斜纹碳布+一层纤维网胎+一层12K碳布加强层组合形成单元层，其制备步骤如下：
⑴根据织物外形特点，以碳纤维回转体织物最小喉径处为分界点，分为左右两部分，从左往右依次排列长度为2.5英寸刺针80根、3.0英寸刺针50根、3.5英寸刺针80根、3.0英寸刺针50根、2.5英寸刺针80根，刺针排列适应产品母线变化，达到近似仿形；
⑵在已经准备好的仿形实木模具表面涂覆热熔胶，同时，裁剪厚度为15mm的化纤毡材料(克重为2800g/m2)为条状，由模具小端往大端缠绕，直至包裹粘贴牢靠；
⑶将350g/cm2碳纤维3K斜纹布与120g/cm2碳纤维网胎以及220g/cm2碳纤维12K单
向布依次进行组合、层叠形成单元层。单元层的展开形状与回转体(或模具)展开的形状相同，单元层形状按照产品外形尺寸展开图裁剪为哑铃型；
⑷将单元层均匀缠铺于化纤毡材表面，搭接缝沿模具周边均匀分布，使用回转体针刺成型设备对单元层的搭接位置进行针刺固定，然后进行整体针刺成型，单元层每铺设一层针刺一次。
⑸设定针刺深度15mm。在初始1～6单元层，设定针刺频率为80刺/min、旋转速度0.1r/min，针刺工艺过程中初始的剥网板压力值F0为20N，测量6层单元层经针刺后织物的厚度为7mm，根据层数/厚度(6层/7mm)计算预制体的公分层数为8.5层/cm；针刺每增加一单元层，模具总体高度下降1.0mm(单元层理论厚度)，此时设计Fi(i1＝1—6)为20N(每层的剥网板压力值均为20N)；
⑹铺放随后的单元层，设计调高剥网板压力为Fi＝20+k(i2-6)N，(i2＝7-13，k由预制体层间密度设定，本实施例中k数值设计为10层/cm)，Fi＝F13-k(i3-13)N，(i3＝14-20，k由预制体层间密度设定，本实施例中k数值设计为10层/cm)，固化针刺频率为120刺/min、旋转速度0.1r/min，利用剥网板压力闭环控制方法实时调节剥网板压力值，保证产品层间密度为10层/cm，当达到厚度为20mm停止针刺，制备完成针刺产品，针刺密度为28针/cm2；
接着，对预制体进行整体贯穿缝合，引入Z向连续缝合纤维的股数为3K×2，缝合针距为8mm，行距为8mm。制备得到碳纤维仿形回转体，回转体的体积密度达到0.68g/cm3。得到回转体的总体纤维体积含量为38.2％，其中，平面(X-Y)方向纤维体积含量为91％，Z向纤维体积含量为9％。
本实施例制备的碳纤维回转体织物的层间剥离强力(国家军用标准GJB 867-1994整体炭毡试验方法)为40N，性能可以满足设计使用要求。
实施例2：如图2所示，制备石英纤维锥体织物：形状为锥状，大端外径Ф500mm，大端内径Ф460mm，高度(轴向长度)为600mm。设计单元层采用一层石英纤维网胎+一层石英纤维缎纹布组合形成单元层，其制备步骤如下：
⑴根据锥型织物外形特点，在产品由大端往顶部过渡区域，依次排列长度为2.5英、寸刺针80根、3.0英寸刺针60根、3.5英寸刺针40根，刺针排列适应产品母线变化，达到近似仿形；
⑵在已经准备好的锥体模具表面涂覆热熔胶，同时，裁剪厚度为15mm的化纤毡材料(克重为2500g/m2)为条状，由模具小端往大端缠绕，直至包裹粘贴牢靠；
⑶将120g/cm2石英纤维网胎与350g/cm2石英纤维缎纹布依次进行组合、层叠形成单元层。单元层的展开形状与回转体(或模具)展开的形状相同，单元层形状按照产品外形尺寸展开图裁剪为扇形；
⑷将单元层均匀缠铺于化纤毡材表面，搭接缝沿模具周边均匀分布，使用回转体针刺成型设备对单元层的搭接位置进行针刺固定，然后进行整体针刺成型；
⑸设定初始针刺深度14mm。在初始1～8单元层，设定针刺频率为50刺/min、旋转速度0.2r/min，针刺工艺过程中初始的剥网板压力值F0为10N，测量8层单元层经针刺后织物的厚度为5.5mm，根据层数/厚度计算预制体的公分层数为14.5层/cm；针刺每增加一单元层，模具总体高度下降0.65mm(单元层理论厚度)，此时设计Fi＝F0+k1i(i＝1～8，k1由层密度设定，本实施例中k1数值设计为9层/cm)；
⑹铺放随后的单元层，设计调高剥网板压力为Fi＝F8+k2(i-6)N，(i＝9～11，k2由层密度设定，本实施例中k2数值设计为10层/cm)，Fi＝F11-k3(i-11)N，(i＝12-20，k3由层密度设定，本实施例中k3数值设计为11层/cm)，固化针刺频率为130刺/min、旋转速度0.1r/min，利用剥网板压力闭环控制方法实时调节剥网板压力值，保证产品层间密度为10层/cm，当达到厚度为20mm停止针刺，制备完成针刺产品，针刺密度为40针/cm2；
⑺对针刺预制体进行整体非贯穿缝合，引入Z向连续缝合纤维的股数为195tex×2，缝合针距为8mm，行距为8mm。制备得到石英纤维仿形锥体织物，锥体织物的体积密度达到0.78g/cm3。得到回转体的总体纤维体积含量为35.4％，其中，平面(X-Y)方向纤维体积含量为96％，Z向纤维体积含量为4％。
本实施例制备的石英纤维锥体织物的层间剥离强力为35N，性能可以满足设计使用要求。
表1为本发明实施例1-2与现有技术中不同成型方法制备得到回转体织物的层间剥离强力对比列表。可以看出，采取本发明针刺技术结合缝合技术的成型方法能显著提高材料的剥离强力，即提高材料的层间抱合力，不易分层，确保回转体Z向结构与整体性能的稳定。
表1 不同成型方法制备回转体织物的剥离强力对比
上表中，碳纤维的一栏中的针刺指仅针刺(不缝合)，其它参照实施例1，缝合指仅缝合(不针刺)，其它参照实施例1；石英纤维的一栏中，针刺指仅针刺(不缝合)，其它参照实施例2，缝合指仅缝合(不针刺)，其它参照实施例2。

Claims (9)

1.一种密度可控的仿形回转体的制备方法，其特征在于：由两层以上的单元层依次叠加，再依次经仿形针刺和缝合后，得密度可控的仿形回转体；包括顺序相接的如下步骤：
步骤一、采用回转体针刺成型设备，根据产品外形特点，在针板上排布长短不一的刺针，所有刺针针尖所形成的外形与密度可控的仿形回转体的母线形状一致；
步骤二、制作外形与密度可控的仿形回转体外形一致的实木模具，并在实木模具外表面粘结化纤毡材料层；
步骤三、将单元层均匀缠铺于化纤毡材表面，相邻两层单元层的搭接缝交错布置，然后针刺，针刺时，利用剥网板压力闭环控制方法，控制预制体密度均匀性；
步骤四、将针刺成型的预制体通过加压工装控制到所设计的厚度，利用纺织缝合针将缝合纤维束沿预制体厚度方向采用贯穿缝合，得密度可控的仿形回转体。
2.按照权利要求1所述的密度可控的仿形回转体的制备方法，其特征在于：步骤二中，化纤毡材料层的克重为2500-3000g/m2，厚度为1±0.2cm。
3.按照权利要求1或2所述的密度可控的仿形回转体的制备方法，其特征在于：步骤三中，所有单元层的搭接缝沿实木模具周向均匀分布。
4.按照权利要求1或2所述的密度可控的仿形回转体的制备方法，其特征在于：步骤三中，针刺深度为13-15mm。
5.按照权利要求1或2所述的密度可控的仿形回转体的制备方法，其特征在于：步骤三中，单元层至少包括叠加在一起的一层网胎和一层基布、以及将网胎和基本连为一体的Z向连续纤维。
6.按照权利要求1或2所述的密度可控的仿形回转体的制备方法，其特征在于：步骤三中，针刺密度为20～50针/cm2。
7.按照权利要求1或2所述的密度可控的仿形回转体的制备方法，其特征在于：步骤三中，每铺设一层单元层针刺一次；所得针刺成型的预制体的体积密度范围区间为0.4～0.7g/cm3。
8.按照权利要求1或2所述的密度可控的仿形回转体的制备方法，其特征在于：步骤四中，缝合针距为2～30mm，缝合行距为2～30mm。
9.按照权利要求5所述的密度可控的仿形回转体的制备方法，其特征在于：单元层所用纤维为碳纤维、石英纤维、碳化硅纤维或莫来石纤维。
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