CN110670246B - 一种制备陶瓷纤维预制体专用刺针及其使用方法 - Google Patents

一种制备陶瓷纤维预制体专用刺针及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种制备陶瓷纤维预制体专用刺针及其使用方法，涉及陶瓷纤维预制体领域，针刺的结构为：设有刺针主体，刺针主体上设有气流腔，气流腔上设有在刺针主体上随机分布的气体射流孔，气体射流孔的直径为0.08mm‑0.2mm，气体射流孔密度为35‑60个/cm2，气体射流孔与刺针主体的轴线夹角在10°‑75°。使用方法为：短切陶瓷纤维长纱线、制成网胎，网胎与陶瓷纤维单向布植绒复合，得的复合坯料；至少2层的复合坯料重叠后使用安装上述专用刺针的针刺机复合针刺，专用刺针的气流腔连接气源、输入压缩空气。本发明具有加工成本低廉、生产效率高，对纤维损伤小、层间不易分离，制备的陶瓷纤维预制体的力学性能优等优点。

Description

一种制备陶瓷纤维预制体专用刺针及其使用方法
技术领域
本发明涉及陶瓷纤维预制体领域，详细讲是一种加工成本低廉、生产效率高，对纤维损伤小、层间不易分离，制备的陶瓷纤维预制体的力学性能优的制备陶瓷纤维预制体专用刺针及其使用方法。
背景技术
我们知道，陶瓷纤维是SiO2质量分数含量超过99. 9%以上的具有耐热、耐腐蚀和可编织特性的高性能纤维。高温下强度保持率高、热膨胀系数低、抗热震性、化学稳定性、透光性及电绝缘性好。此外还具有无可比拟的低介电常数，是理想的透波材料。陶瓷纤维长期使用温度可达到1200℃，软化点温度高达1700℃。因此，陶瓷纤维在军事、国防、航空、航天工业中有重要用途，可用于制造如火箭喷火口，航天热防护装置、天线罩窗口等。
鉴于以上不可或缺的作用，陶瓷纤维预制体生产量也在日益扩大，质量也在追求卓越。生产高品质石英复合材料一个关键环节是陶瓷纤维预制体的选用。陶瓷纤维预制体的质量是控制石英复合材料成本和品质的关键。目前较为常见的方法有梳理成网、叠合针刺形成，或者将石英短纤维分撒到溶剂中，抽滤成型，然后干燥、烧结。由于梳理成网、叠合针刺工艺，对陶瓷纤维单丝损伤大，且层间结合力交低，通常在0.1-0.2N/cm2，层间易分离。导致后续制备的石英复合材料力学性能下降显著。而石英短纤维分撒、抽滤成型工艺，需要采用大量溶剂，对环境影响显著，且在纤维表面形成大量吸附羟基，因此该工艺成本高、制备的复合材料力学性能差，且污染烧环境。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提供一种加工成本低廉、生产效率高，对纤维损伤小、层间不易分离，制成的陶瓷纤维预制体力学性能优的制备陶瓷纤维预制体的专用刺针及其使用方法。
一种陶瓷纤维预制体专用刺针，设有刺针主体，其特征在于刺针主体上设有与其同轴的上下贯通的气流腔，气流腔的侧壁上设有气体射流孔，气体射流孔的直径为0.08mm-0.2mm，气体射流孔密度为35-60个/cm2，气体射流孔在刺针主体上随机分布；气体射流孔（气流方向）与刺针主体的轴线夹角在10°-75°。
优选地，本发明中所述的气体射流孔的直径为0.12mm -0.16mm，气体射流孔密度为45-50个/cm2，气体射流孔与刺针主体的轴线夹角为20°-60°。
本发明中所述的刺针主体由上部呈圆柱状连接段和下部呈锥形的针刺段组成；所述的气流腔的形状与刺针主体的形状相同；所述的气体射流孔位于针刺段。
一种陶瓷纤维预制体专用刺针的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将陶瓷纤维长纱线（A型或B型，20-1000tex），短切成80-150mm长度的短切纤维；
(2)将短切纤维干法分散并制成克重15-80g/m2的网胎，整个过程不添加柔顺剂和其他任何液体溶剂；
(3)将网胎与80-420g/m2的陶瓷纤维单向布或2D编织布植绒复合，获得95-500g/m2的复合坯料；
(4)将至少2层的复合坯料重叠后使用针刺机复合针刺，进行增厚、增密成型；所述针刺机的针板上安装上述陶瓷纤维预制体专用刺针，针板上的陶瓷纤维预制体专用刺针密度为10-35枚/cm2，将陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔连接气源、向陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔输入压力0.4-0.8MPa的压缩空气。
本发明中所述的针刺机工作时，的针板往复频率100-190次/min。
本发明中所述的重叠的复合坯料在针刺机上复合针刺的进给速度为: 10-20mm/s。
本发明中所述所述陶瓷纤维预制体专用刺针在针板的纵向1-10 cm上、横向不小于复合坯料宽度的范围内均匀分布。
采用本发明制出的陶瓷纤维预制体的密度为0.5-0.88g/cm3、厚度为5-120mm、Z向和其他方向（非XY方向）纤维含量（占总纤维含量的）30-45%，层间结合力>0.4N/cm2。本发明对陶瓷纤维单丝损伤小，层间结合力大、不易分离，制备的石英复合材料力学性能佳。具有加工成本低廉、高效，对纤维损伤小，可降低石英复合材料制造成本、提高其力学性能等优点。
附图说明
图1是本发明中陶瓷纤维预制体专用刺针的结构示意图。
具体实施方式
一种陶瓷纤维预制体专用刺针，设有刺针主体，刺针主体由上部呈圆柱状连接段1和下部呈锥形的针刺段3组成；刺针主体上设有与其同轴的上下贯通的气流腔4，气流腔4的形状与刺针主体的形状相同、由上部的圆柱状腔段和下部的锥形腔段组成。气流腔4的侧壁（刺针主体）上设有气体射流孔2，所述的气体射流孔2位于针刺段的气流腔侧壁上。气体射流孔2的直径为0.08mm -0.2mm，气体射流孔2密度为35-60个/cm2，气体射流孔在刺针主体（针刺段的四周）上的位置随机分布，气体射流孔与刺针主体的轴线夹角为10°-75°。
实施例1
本实施例中，陶瓷纤维预制体专用刺针的气体射流孔的直径为0.12mm，气体射流孔密度为35个/cm2，气体射流孔在刺针主体上随机分布，气体射流孔与刺针主体的轴线夹角在15°。
使用上述陶瓷纤维预制体专用刺针制备陶瓷纤维预制体的方法如下：
(1)将陶瓷纤维长纱线（A型50tex），短切成80mm长度的短切纤维。
(2)将短切纤维干法分散并制成克重15g/m2的网胎，整个过程不添加柔顺剂和其他任何液体溶剂。
(3)将网胎与陶瓷纤维单向布80g/m2（或2D编织布）植绒复合，获得95g/m2的复合坯料。
(4)将上述步骤制备的2层复合坯料重叠后使用针刺机复合针刺，进行增厚、增密成型。所述针刺机的针板上安装上述陶瓷纤维预制体专用刺针，针板上的陶瓷纤维预制体专用刺针密度为10枚/cm2，将陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔连接气源、向陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔输入压力0.4MPa的压缩空气；控制针刺往复频率100次/min；重叠的复合坯料在针刺机上复合针刺的进给速度:20mm/s。所述陶瓷纤维预制体专用刺针在针板的纵向（X方向或长度方向）1 cm上、横向（Y方向或宽度方向）不小于复合坯料宽度的范围内均匀分布。
经测试得到：该陶瓷纤维预制体密度0.5g/cm3，厚度5mm，Z向和其他方向纤维含量32%，层间结合力0.42N/cm2。
实施例2
本实施例中，陶瓷纤维预制体专用刺针的气体射流孔的直径为0.15mm，气体射流孔密度为45个/cm2，气体射流孔在刺针主体上的位置随机分布，气体射流孔与刺针主体的轴线夹角30°。
使用上述陶瓷纤维预制体专用刺针制备陶瓷纤维预制体的方法如下：
(1)首先将陶瓷纤维长纱线（A型200tex），短切成120mm长度的短切纤维。
(2)将短切纤维干法分散并制成克重40g/m2的网胎，整个过程不添加柔顺剂和其他任何液体溶剂。
(3)将网胎与陶瓷纤维单向布120g/m2（或2D编织布）植绒复合，获得150g/m2的复合坯料。
(4)将上述步骤制备的20层复合坯料重叠后使用针刺机复合针刺，进行增厚、增密成型。所述针刺机的针板上安装上述陶瓷纤维预制体专用刺针，针板上的陶瓷纤维预制体专用刺针密度为25枚/cm2，将陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔连接气源、向陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔输入压力0.6MPa的压缩空气；控制针刺往复频率150次/min；重叠的复合坯料在针刺机上复合针刺的进给速度: 15mm/s
经测试得到：该陶瓷纤维预制体密度0.68g/cm3，厚度80mm，Z向和其他方向纤维含量40%，层间结合力0.46N/cm2。
实施例3
本实施例中，陶瓷纤维预制体专用刺针的气体射流孔的直径为0.16mm，气体射流孔密度为60个/cm2，气体射流孔在刺针主体上的位置随机分布、气体射流孔与刺针主体的轴线夹角为60°。
使用上述陶瓷纤维预制体专用刺针制备陶瓷纤维预制体的方法如下：
(1)首先将陶瓷纤维长纱线（B型，1000tex），短切成150mm长度的短切纤维。
(2)将短切纤维干法分散并制成克重80g/m2的网胎，整个过程不添加柔顺剂和其他任何液体溶剂。
(3)将网胎与陶瓷纤维单向布420g/m2（或2D编织布）植绒复合，获得500g/m2的复合坯料。
(4)将上述步骤制备的16层复合坯料重叠后使用针刺机复合针刺，进行增厚、增密成型。所述针刺机的针板上安装上述陶瓷纤维预制体专用刺针，针板上的陶瓷纤维预制体专用刺针密度为35枚/cm2，将陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔连接气源、向陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔输入压力0.8MPa的压缩空气；
(5)控制针刺往复频率190次/min。
(6)重叠的复合坯料在针刺机上复合针刺的进给速度: 10mm/s。
经测试得到：该陶瓷纤维预制体密度0.88g/cm3，厚度120mm，Z向和其他方向纤维含量45%，层间结合力0.52N/cm2。
本发明制出的陶瓷纤维预制体的陶瓷纤维单丝损伤小，高致密度、层间结合力大、不易分离，制备的石英复合材料力学性能佳。具有加工成本低廉、高效，对纤维损伤小，可降低石英复合材料制造成本、提高其力学性能等优点。

Claims (6)

1.一种陶瓷纤维预制体专用刺针，设有刺针主体，其特征在于刺针主体上设有与其同轴的上下贯通的气流腔，气流腔的侧壁上设有气体射流孔，气体射流孔的直径为0.08mm -0.2mm，气体射流孔密度为35-60个/cm2，气体射流孔在刺针主体上随机分布；气体射流孔与刺针主体的轴线夹角在10°-75°。
2.根据权利要求1所述的陶瓷纤维预制体专用刺针，其特征在于所述的气体射流孔的直径为0.12mm -0.16mm，气体射流孔密度为45-50个/cm2，气体射流孔与刺针主体的轴线夹角为20°-60°。
3.根据权利要求1所述的陶瓷纤维预制体专用刺针，其特征在于所述的刺针主体由上部呈圆柱状连接段和下部呈锥形的针刺段组成；所述的气流腔的形状与刺针主体的形状相同；所述的气体射流孔位于针刺段。
4.根据权利要求1所述的陶瓷纤维预制体专用刺针的使用方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将陶瓷纤维长纱线，短切成80-150mm长度的短切纤维；
(2)将短切纤维干法分散并制成克重15-80g/m2的网胎，整个过程不添加柔顺剂和其他任何液体溶剂；
(3)将网胎与80-420g/m2的陶瓷纤维单向布或2D编织布植绒复合，获得95-500g/m2的复合坯料；
(4)将至少2层的复合坯料重叠后使用针刺机复合针刺，进行增厚、增密成型；所述针刺机的针板上安装上述陶瓷纤维预制体专用刺针，针板上的陶瓷纤维预制体专用刺针密度为10-35枚/cm2，将陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔连接气源、向陶瓷纤维预制体专用刺针的气流腔输入压力0.4-0.8MPa的压缩空气。
5.根据权利要求4所述的陶瓷纤维预制体专用刺针的使用方法，其特征在于所述的针刺机工作时，针板往复频率100-190次/min。
6.根据权利要求4所述的陶瓷纤维预制体专用刺针的使用方法，其特征在于所述的重叠的复合坯料在针刺机上复合针刺的进给速度为: 10-20mm/s。
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