CN110184722A - 一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法 - Google Patents

一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种碳棒穿刺碳纤维形成立体织物的制备方法，属于复合材料预制体技术领域。通过将碳棒一端设为针尖状直接使用碳棒穿刺，完成一个周期的铺纱后向上顶出碳棒并压实，如此重复，铺放工艺简便，只需间断向上顶出炭棒，不需要二次置换，Z向纤维在织物成型过程中由于刚棒中树脂保护纤维几乎不受损伤；XY向使用碳纤维束直接铺放，避免碳纤维织布、炭布与网胎复合料针刺、钢针穿刺炭布三个过程中对XY向纤维的损伤，与通道宽度相匹配宽度的碳纤维束铺放能够增强XY向纤维的平展性、贴合性，有利于充分发挥纤维强度，准确控制织物层间距，提高立体织物成型质量。

Description

一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法
技术领域
本发明涉及一种复合材料用三维碳纤维立体织物的制备方法，尤其涉及一种采用碳纤维刚性棒(碳棒)穿刺碳纤维形成立体织物的制备方法，属于复合材料预制体技术领域。
背景技术
三维碳纤维立体织物是采用三组以上呈三维取向的纱线系统相互交叉排列而形成的立体织物(预制体)，在X、Y、Z方向上存在连续的碳纤维纱，因此，织物的力学性能优异，目前，比较常用的碳纤维立体织物制备技术为穿刺技术。例如美国专利US4218276采用碳纤维布铺放在Z向钢针上穿刺、压实，再用碳纤维置换钢针的方法，制备出立体织物。目前国内穿刺预制体的制备方法通常采用将碳纤维先织成炭布，再将炭布与碳纤维网胎复合料预针刺，复合料再在钢针上穿刺至一定高度，然后用碳纤维置换钢针的方式，制备碳纤维立体织物。尽管后续研究中对炭布类型、针刺参数等进行了不断优化，但在织布过程中，碳纤维束仍存在弯折和磨损；在复合料预针刺过程中，刺针会切断炭布中部分纤维单丝。研究表明碳纤维织成炭布后其强度损失约10％，而经过复合料预针刺后强度损失约30％，此外Z向钢针穿刺过程中XY向碳纤维也不可避免的存在损伤，而且破坏了炭布的整体性，最终使织物增强复合材料力学性能下降、质量降低。碳纤维织物采用钢针置换方式制备的穿刺C/C材料，在高温下易发生异常的脆性断裂现象，分析其原因为织物穿刺损伤较大，同时存在铺放炭布起褶皱等问题，Z向穿刺纱存在断纱、缺束等现象。钢针置换通常采用手工或半自动方式，钢针数量一般都在数万根，劳动强度大，成本高，纱线张力不可控，而且易造成断纱且无法补纱。
发明内容
针对现有钢针穿刺C/C复合材料用织物制备工艺复杂，铺层XY向纤维损伤大，钢针置换过程中碳纤维断纱，材料高温下脆性破坏等问题，本发明的目的在于提供一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，所述方法使得X-Y向碳纤维几乎没有损伤，Z向碳纤维引入简便，织物性能好；工艺过程简单，生产效率高。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下。
一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，所述方法步骤如下：
(1)将碳棒按照立体织物高度要求裁剪，并且碳棒的一端为针尖状；
(2)按照立体织物的结构要求使用固定工装将若干碳棒沿Z向(垂直于水平面方向)固定形成碳棒阵列，阵列通道宽度为0.8-4mm，且碳棒针尖状一端向上；
(3)在碳棒针尖状一端周向设置纱线固定工装，根据阵列通道宽度选择碳纤维束，使碳纤维束的宽度≤阵列通道宽度；在纱线固定工装上将碳纤维束沿一个方向依次铺满阵列通道，形成第一层XY向(水平方向)铺层纤维；
(4)以第一层XY向铺层纤维为0°方向，按碳纤维束铺放角度旋转，确定铺层方向，并沿此方向依次铺满所有阵列通道，形成第二层XY向铺层纤维；
(5)重复步骤(4)直至N层碳纤维束铺放完成，停止铺放，得到N层XY向铺层纤维，2≤N≤8；
(6)向上整体顶出碳棒，使碳棒穿过N层XY向铺层纤维，并将N层XY向铺层纤维压实至每层之间的层间距平均值为0.3-1.0mm，拆除纱线固定工装；
(7)重复步骤(3)-(6)，直至达到立体织物设计要求高度，得到一种碳棒穿刺碳纤维立体织物。
优选的，步骤(1)中所述碳棒长度≤600mm，碳棒截面为圆形或多边形，圆形直径或多边形外接圆直径为1-3mm。
优选的，步骤(3)中所述碳纤维束为1K、3K、6K或12K碳纤维，1K或3K碳纤维合股铺放，6K碳纤维展平铺放，12K碳纤维先展平再沿宽度方向对折后铺放。
优选的，步骤(4)中铺放角度为±45°、±60°或±90°。
优选的，步骤(5)中N层碳纤维束的旋转角度之和为180°。
有益效果：
本发明中通过将碳棒一端设为针尖状直接使用碳棒穿刺，完成一个周期的铺纱后向上顶出碳棒并压实，如此重复，铺放工艺简便，只需间断向上顶出炭棒，不需要二次置换，Z向纤维在织物成型过程中由于刚棒中树脂保护纤维几乎不受损伤；XY向使用碳纤维束直接铺放，避免碳纤维织布、炭布与网胎复合料针刺、钢针穿刺炭布三个过程中对XY向纤维的损伤，与通道宽度相匹配宽度的碳纤维束铺放能够增强XY向纤维的平展性、贴合性，有利于充分发挥纤维强度，准确控制织物层间距，提高立体织物成型质量。与其他碳纤维织物相比，炭棒穿刺碳纤维立体织物XY向纤维铺层为10-30层/cm，层间距平均值为0.3-1.0mm，织物密度为0.70-0.97g/cm3，纤维体积分数为40％～60％，属于低损伤高性能碳纤维立体织物，可大幅提高了织物增强的复合材料的整体性能。
附图说明
图1为本发明所述碳棒穿刺碳纤维三维织物截面示意图；
图2为本发明所述碳棒穿刺碳纤维三维织物实物图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作出进一步详细说明。
实施例1：
本实施例中，立体织物尺寸要求为300mm×300mm×300mm。
一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)将4轴3K T300碳纤维与环氧树脂经牵引、浸胶、拉挤、固化后，形成截面为1.0mm×1.0mm矩形的碳棒，剪裁长度为320mm，碳棒的一端磨成针尖状。
(2)按照立体织物的结构要求使用孔板固定工装将若干碳棒沿Z向固定形成正方形矩阵阵列，阵列通道宽度为1.5mm，且碳棒针尖状一端向上；
(3)在碳棒针尖状一端周向设置纱线固定工装，根据阵列通道宽度选择4股3KT300碳纤维合股为碳纤维束，碳纤维束宽度为1.5mm；
(4)将碳纤维束沿0°方向依次铺满阵列通道，将该方向所有通道铺满，共需铺放120次，形成第一层XY向铺层纤维；
(5)将碳纤维铺放角度调整为顺时针旋转90°，确定铺层方向，并沿此方向依次铺满所有阵列通道，形成第二层XY向铺层纤维；
(6)向上整体顶出碳棒，使碳棒穿过两层XY向铺层纤维，并将两层XY向铺层纤维压实至层间距平均值为0.5mm，拆除纱线固定工装；
(7)重复步骤(3)-(6)，直至达到立体织物高度为300mm，得到一种碳棒穿刺碳纤维立体织物。
所述碳棒穿刺碳纤维立体织物体积密度为0.92g/cm3，纤维体积分数达到53％。与现有钢针穿刺预制体相比，密度明显提高，由于成型纤维损伤小，使得材料的力学性能，如拉伸强度等有明显提高，其增强的烧蚀材料抗烧蚀性能优异。所述碳棒穿刺碳纤维立体织物经致密后得到的复合材料，拉伸强度可达100MPa以上，线烧蚀率小于0.01mm/s。
实施例2：
本实施例中，立体织物尺寸要求为Φ440mm×320mm。
一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)将8股3K T300碳纤维与环氧树脂经牵引、浸胶、拉挤、固化后，形成截面为Φ2.0mm圆形的碳棒，剪裁长度为360mm，碳棒的一端磨成针尖状。
(2)按照立体织物的结构要求使用孔板固定工装将若干碳棒按照三角形阵列形式沿Z向固定，阵列通道宽度为2.4mm，且碳棒针尖状一端向上；
(3)在碳棒针尖状一端周向设置纱线固定工装，根据阵列通道宽度选择单股12KT700碳纤维，沿宽度方向对折后宽度2.4mm；
(4)将碳纤维束沿0°方向依次铺满阵列通道，将该方向所有通道铺满，共需铺放100次，形成第一层XY向铺层纤维；
(5)将碳纤维铺放角度调整为逆时针旋转60°，确定铺层方向，并沿此方向依次铺满所有阵列通道，形成第二层XY向铺层纤维；
(6)再逆时针旋转60°，铺放第三层XY向铺层纤维，然后再逆时针旋转60°，铺放第四层XY向铺层纤维，得到四层XY向铺层纤维；
(7)向上整体顶出碳棒，使碳棒穿过四层XY向铺层纤维，并将四层XY向铺层纤维压实至层间距平均值为1mm，拆除纱线固定工装；
(8)重复步骤(3)-(7)，直至达到立体织物高度为320mm，得到一种碳棒穿刺碳纤维立体织物。
所述碳棒穿刺碳纤维立体织物体的体积密度为0.72g/cm3，纤维体积分数为43％。与现有穿刺预制体相比，其可制备大尺寸预制体，且工艺过程简单，生产成本低，生产效率高。所述碳棒穿刺碳纤维立体织物经致密后得到的复合材料，拉伸强度可达100MPa以上，线烧蚀率小于0.01mm/s。
实施例3：
本实施例中，立体织物尺寸要求为八边型棱柱，对边长400mm，高度400mm。
一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)将4股6K T300碳纤维与环氧树脂经牵引、浸胶、拉挤、固化后，形成截面为Φ1.5mm圆形的碳棒，剪裁长度为400mm，碳棒的一端磨成针尖状。
(2)按照立体织物的结构要求使用孔板固定工装将若干碳棒按照正方形阵列形式沿Z向固定，阵列通道宽度为2.0mm，且碳棒针尖状一端向上；
(3)在碳棒针尖状一端周向设置纱线固定工装，根据阵列通道宽度选择2股6KT300碳纤维合股为碳纤维束，碳纤维束宽度为2.0mm；
(4)将碳纤维束沿0°方向依次铺满阵列通道，将该方向所有通道铺满，形成第一层XY向铺层纤维；
(5)将碳纤维铺放角度调整为逆时针旋转45°，确定铺层方向，并沿此方向依次铺满所有阵列通道，形成第二层XY向铺层纤维；
(6)再逆时针旋转45°，铺放第三层XY向铺层纤维；
(7)再逆时针旋转45°，铺放第四层XY向铺层纤维；
(8)向上整体顶出碳棒，使碳棒穿过四层XY向铺层纤维，并将四层XY向铺层纤维压实至层间距平均值为0.75mm，拆除纱线固定工装；
(9)重复步骤(3)-(8)，直至达到立体织物高度为400mm，得到一种碳棒穿刺碳纤维立体织物。
所述碳棒穿刺碳纤维立体织物体的体积密度为0.80g/cm3，纤维体积分数为48％。与现有穿刺预制体相比，该预制体为三维五向结构，预制体在XY方向呈优异的各向同性，且工艺过程简单，生产成本低，生产效率高。所述碳棒穿刺碳纤维立体织物经致密后得到的复合材料，拉伸强度可达100MPa以上，线烧蚀率小于0.01mm/s。
综上所述，发明包括但不限于以上实施例，凡是在本发明的精神和原则之下进行的任何等同替换或局部改进，都将视为在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，其特征在于：所述方法步骤如下：
(1)将碳棒按照立体织物高度要求裁剪，并且碳棒的一端为针尖状；
(2)按照立体织物的结构要求使用固定工装将若干碳棒沿Z向固定形成碳棒阵列，阵列通道宽度为0.8-4mm，且碳棒针尖状一端向上；
(3)在碳棒针尖状一端周向设置纱线固定工装，根据阵列通道宽度选择碳纤维束，使碳纤维束的宽度≤阵列通道宽度；在纱线固定工装上将碳纤维束沿一个方向依次铺满阵列通道，形成第一层XY向铺层纤维；
(4)以第一层XY向铺层纤维为0°方向，按碳纤维束铺放角度旋转，确定铺层方向，并沿此方向依次铺满所有阵列通道，形成第二层XY向铺层纤维；
(5)重复步骤(4)直至N层碳纤维束铺放完成，停止铺放，得到N层XY向铺层纤维，2≤N≤8；
(6)向上整体顶出碳棒，使碳棒穿过N层XY向铺层纤维，并将N层XY向铺层纤维压实至每层之间的层间距平均值为0.3-1.0mm，拆除纱线固定工装；
(7)重复步骤(3)-(6)，直至达到立体织物设计要求高度，得到一种碳棒穿刺碳纤维立体织物。
2.如权利要求1所述的一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述碳棒长度≤600mm，碳棒截面为圆形或多边形，圆形直径或多边形外接圆直径为1-3mm。
3.如权利要求1所述的一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述碳纤维束为1K、3K、6K或12K碳纤维，1K或3K碳纤维合股铺放，6K碳纤维展平铺放，12K碳纤维先展平再沿宽度方向对折后铺放。
4.如权利要求1所述的一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，其特征在于：步骤(4)中铺放角度为±45°、±60°或±90°。
5.如权利要求1或4中所述的一种碳棒穿刺碳纤维立体织物的制备方法，其特征在于：步骤(5)中N层碳纤维束的旋转角度之和为180°。
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