CN110485047A - 一种飞机刹车盘用准三维预制体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种飞机刹车盘用准三维预制体及其制备方法，该预制体包括摩擦层和结构层，所述摩擦层由碳纤维网胎铺叠而成，结构层由基础单元层铺叠而成，所述摩擦层包括上摩擦层和下摩擦层，所述上摩擦层、所述下摩擦层分别位于所述结构层的上、下表面上，所述基础单元层由碳纤维多轴向经编织物和碳纤维网胎经针刺固定成型，采用下摩擦层‑结构层‑上摩擦层的预制体结构，摩擦层提高了预制体的摩擦性能，结构层提高了预制体的力学性能。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，尤其涉及一种飞机刹车盘用准三维预制体及其制备方法。
背景技术
飞机刹车盘是一种超高强度的圆形摩擦材料，应用环境苛刻，因此对预制体的性能要求很高，需要预制体具有摩擦功能层和结构功能层且预制体要是一种三维结构，这种结构既能满足摩擦要求又能满足力学性能要求。
预氧丝纤维针刺预制体技术是目前主要技术，包括碳纤维布与短切预氧丝纤维网胎层叠形成单元层，经过针刺、碳化等工艺结构。但是，聚丙烯氰预氧化纤维制作的预制体必须经过碳化工艺转化为碳纤维结构。聚丙烯腈预氧化纤维导热系数低、碳化可控性差、工艺难度较大、对设备及工艺要求高，且预氧化预制体在高温碳化过程中，预制体内部的长、短纤维产生不同应力而蠕动造成整体收缩变形，易分层。现有的预制体制备技术，在耐摩擦和力学性能方面还有很大的缺陷，有的预制体满足摩擦性能但是力学性能不够，有的满足力学性能但是摩擦性能不达标。
发明内容
为同时达到预制体耐摩擦性和力学性能的要求，本申请提供了一种新型结构的三维针刺预制体。
为了克服上述现有的技术问题，提出一种飞机刹车盘用准三维预制体及其制备方法，用来提高预制体的摩擦性能和力学性能以及结构稳定，具体技术方案如下：
一种飞机刹车盘用准三维预制体，包括摩擦层和结构层，所述摩擦层由碳纤维网胎铺叠而成，结构层由基础单元层铺叠而成，所述摩擦层包括上摩擦层和下摩擦层，所述上摩擦层、所述下摩擦层分别位于所述结构层的上、下表面上，所述基础单元层由碳纤维多轴向经编织物和碳纤维网胎经针刺固定成型。
其中，当飞机刹车盘用准三维预制体的结构为下摩擦层-结构层-上摩擦层，通过刺针将碳纤维网胎中的碳纤维引入Z向，贯穿织物使得织物连接到一起形成三维结构，基础单元层层间密度为5-6层/cm，此时能够增加其耐摩擦性和结构稳定性。
作为进一步的改进，其特征在于：所述准三维预制体中纤维体积密度为0.40g/cm3-0.50g/cm3。
作为进一步的改进，其特征在于：所述准三维预制体中碳纤维多轴向经编织物和碳纤维网胎的质量百分比分别为：碳纤维多轴向经编织物65-75%、碳纤维网胎25-35%。
作为进一步的改进，其特征在于：所述摩擦层是由碳纤维网胎逐层铺叠针刺成型。
一种如上所述的飞机刹车盘用准三维预制体的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：上摩擦层、下摩擦层的制备；
步骤二：基础单元层的制备，将碳纤维多轴向经编织物和碳纤维网胎针刺固定成基础单元层，预针刺密度为3-8针/cm2；
步骤三：在下摩擦层上叠加基础单元层，并进行针刺成型；
步骤四：基础单元层逐层铺层，并依次针刺将碳纤维网胎中碳纤维丝带入碳纤维多轴向经编织物中形成三维结构，往复循环形成结构层；
步骤五：在结构层的上表面铺贴上摩擦层，进行针刺成型得到飞机刹车盘用准三维预制体。
上摩擦层将碳纤维网胎逐层铺叠针刺成型，到达预定厚度4-6mm，刺针密度为20-30针/cm2。
下摩擦层是由碳纤维网胎逐层铺叠针刺成型，到达预定厚度5-10mm，刺针密度为20-30针/cm2。
基础单元层逐层铺放在下摩擦层上，并进行针刺，根据使用经编织物方向组成，尽可能使得一个循环后每个方向分布的纱线一样，并且将前一层碳纤维网胎中的碳纤维引入到碳纤维多轴向经编织物中，刺针密度为20-30针/cm2。
其中，所述多轴向经编织物由碳纤维长丝在多轴向经编机上织造，面密度为150-600g/m2，纤维规格12K。
所述预制体最终结构为下摩擦层-结构层-上摩擦层，通过刺针将碳纤维引入Z向，贯穿织物使得织物连接到一起形成三维结构，提高预制体的耐摩擦性和结构稳定性。
作为进一步的改进，其特征在于：所述步骤四中，刺针密度为20-30针/cm2。
作为进一步的改进，其特征在于：所述步骤二中，层间密度为5-6层/cm。
作为本发明的进一步改进，所述预制体采用碳纤维多轴向经编织物，提供了结构层承受载荷的均匀性，使得预制体更趋向于准各向同性。
与现有的技术相比，本发明的显著效果是：（1）采用下摩擦层-结构层-上摩擦层的预制体结构，摩擦层提高了预制体的摩擦性能，结构层提高了预制体的力学性能；（2）结构层采用多轴向经编织物和碳纤维网胎结合的基础单元层，其中多轴向经编织物的结构特性，使得预制体可以达到准各向同性的效果，在施加外力的情况下可以很好的抵抗破坏或者变形，碳纤维网胎的作用是通过针刺，将碳纤维网胎中碳纤维长丝刺入碳纤维多轴向经编织物中，使得织物层与层之间很好的连接在一起，较少分层现象；（3）碳纤维多轴向经编织物生产效率高，克重稳定且均匀。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为上摩擦层的结构示意图。
图3为基础单元层的结构示意图。
图4为碳纤维多轴向经编织物3种形式的结构示意图。
附图标记说明：
1-上摩擦层；2-Z向纤维；3-结构层；4-下摩擦层；5-单层碳纤维网胎；6-碳纤维多轴向经编织物；7-0°方向；8-90°方向；9--45°方向；10-+45°方向。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解，下面将结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，该实施例仅用于解释本发明，并不对保护范围构成限定。
实施例1
如图1、图2、图3所示，一种预制体，上摩擦层1是由若干单层碳纤维网胎5叠层针刺而成，结构层3是由若干基础单元层叠层针刺而成，下摩擦层4是由若干单层碳纤维网胎5叠层针刺而成，上摩擦层1、结构层3和下摩擦层4通过Z向纤维2连接成准三维立体织物，基础单元层包括碳纤维多轴向经编织物层和碳纤维网胎层。
其中，下摩擦层4为12K、面密度为100g/m2的碳纤维网胎5，逐层铺层并针刺达到厚度为5mm，针刺密度为20针/cm2；基础单元层包括一层12K、面密度为300 g/m2、如图4（b）所示的碳纤维多轴向经编织物和一层12K、面密度300 g/m2、如图4（c）所示的碳纤维多轴向经编织物与一层12K、面密度为100g/m2的碳纤维网胎5针刺成型，针刺密度为4针/cm2；在下摩擦层4上叠加基础单元层，如图3所示，并针刺成型，利用刺针将碳纤维网胎中的纤维穿透织物形成Z向纤维2，后继续叠加基础单元层，逐层针刺形成准三维预制体，结构层的厚度达到3cm，刺针密度为30针/cm2；在结构层3上叠加上摩擦层1，上摩擦层1由若干单层12K、面密度100g/m2的碳纤维网胎5逐层铺层针刺达到厚度为5mm，针刺密度为20针/cm2；
最终形成一个厚度为4cm的预制体，预制体的纤维体积密度为0.45g/cm3，预制体中，碳纤维多轴向经编织物占比为70wt%、碳纤维网胎占比为30wt%，基础单元层的层间密度为5层/cm。
实施例2
如图1、图2、图3所示，一种预制体，上摩擦层1是由若干单层碳纤维网胎5叠层针刺而成，结构层3是由若干基础单元层叠层针刺而成，下摩擦层4是由若干单层碳纤维网胎5叠层针刺而成，上摩擦层1、结构层3和下摩擦层4通过Z向纤维2连接成准三维立体织物，基础单元层包括碳纤维多轴向经编织物层和碳纤维网胎层。
其中，下摩擦层4为12K、面密度200g/m2的碳纤维网胎5，逐层铺层并针刺达到厚度为7mm，针刺密度为25针/cm2；基础单元层包括一层12K、面密度为600 g/m2、如图4（d）所示的碳纤维多轴向经编织物与面密度为200g/m2的碳纤维网胎5针刺成型，预针刺密度5针/cm2；在下摩擦层4上叠加基础单元层，如图3所示，并针刺成型，利用刺针将碳纤维网胎中的纤维穿透织物形成Z向纤维2束，并利用Z向纤维束使得织物贯穿成为准三维织物，后继续叠加基础单元层，逐层针刺形成准三维预制体，结构层的厚度达到3.6cm，刺针密度为30针/cm2；再在结构层3上叠加上摩擦层1，上摩擦层1是由若干单层12K、面密度为200g/m2的碳纤维网胎5叠层针刺而成，逐层铺层并针刺达到厚度为7mm，针刺密度为30针/cm2；
最终形成一个厚度为5cm的预制体，预制体的纤维体积密度为0.48g/cm3，预制体中，碳纤维多轴向经编织物占比为65%、碳纤维网胎占比为35%，基础单元层的层间密度为6层/cm。
以上两个实施例描述了一种下摩擦层-功能层-上摩擦层的预制体结构，两端均是摩擦层，提高了摩擦性能，而且选用了碳纤维材料，其性能优势更加显著；而且结构层采用了基础单元层叠层针刺而成，采用多轴向经编织物和网胎结合的单元层，多轴向经编织物的结构特性使得预制体可以达到准各向同性的效果，在施加外力的情况下可以很好的抵抗破坏或者变形，碳纤维网胎的作用是通过针刺将碳纤维网胎中碳纤维长丝刺入碳纤维多轴向经编织物中，使得织物层与层之间很好的连接在一起较少分层现象，大大提高了该层的力学性能；并且，碳纤维多轴向经编织物生产效率高，克重稳定且均匀。
Claims (8)
1.一种飞机刹车盘用准三维预制体，其特征在于：包括摩擦层和结构层，所述摩擦层由碳纤维网胎铺叠而成，结构层由基础单元层铺叠而成，所述摩擦层包括上摩擦层和下摩擦层，所述上摩擦层、所述下摩擦层分别位于所述结构层的上、下表面上，所述基础单元层由碳纤维多轴向经编织物和碳纤维网胎经针刺固定成型。
2.根据权利要求1中所述的一种飞机刹车盘用准三维预制体，其特征在于：所述准三维预制体中纤维体积密度为0.40g/cm3-0.50g/cm3。
3.根据权利要求1中所述的一种飞机刹车盘用准三维预制体，其特征在于：所述准三维预制体中碳纤维多轴向经编织物和碳纤维网胎的质量百分比分别为：碳纤维多轴向经编织物65-75%、碳纤维网胎25-35%。
4.根据权利要求1中所述的一种飞机刹车盘用准三维预制体，其特征在于：所述碳纤维多轴向经编织物的面密度为150-600g/m2。
5.根据权利要求1中所述的一种飞机刹车盘用准三维预制体，其特征在于：所述摩擦层由碳纤维网胎逐层铺叠针刺成型。
6.一种权利要求1所述的飞机刹车盘用准三维预制体的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一：上摩擦层、下摩擦层的制备；
步骤二：基础单元层的制备，将碳纤维多轴向经编织物和碳纤维网胎针刺固定成基础单元层，预针刺密度为3-8针/cm2；
步骤三：在下摩擦层上叠加基础单元层，并进行针刺成型；
步骤四：基础单元层逐层铺层，并依次针刺将碳纤维网胎中碳纤维丝带入碳纤维多轴向经编织物中形成三维结构，往复循环形成结构层；
步骤五：在结构层的上表面铺贴上摩擦层，进行针刺成型得到飞机刹车盘用准三维预制体。
7.根据权利要求6所述的一种飞机刹车盘用准三维预制体的制备方法，其特征在于：所述步骤三或者步骤五中，刺针密度为20-30针/cm2。
8.根据权利要求6所述的一种飞机刹车盘用准三维预制体的制备方法，其特征在于：所述步骤四中，层间密度为5-6层/cm。
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