CN110747578A - 一种高密度碳纤维针刺毡及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高密度碳纤维针刺毡，所述针刺毡由碳纤维网胎和碳纤维展宽织物组成的结构单元经叠层针刺成型。本发明采用展宽纤维制备的碳纤维布替代了常用碳纤维布，降低了碳纤维布厚度，并减少了针刺过程中由于碳纤维之间的空隙引起的回弹现象，从而提高了碳纤维针刺毡的整体密度和机械强度。此外，本发明有利于高密度碳纤维针刺毡刺针寿命的延长。

Description

一种高密度碳纤维针刺毡及其制备方法
技术领域
本发明涉及针刺毡技术领域，尤其是涉及一种用于碳/碳复合材料、碳/陶复合材料的高密度碳纤维针刺毡。
背景技术
碳纤维因具有高强度、高模量、优异的热学性能和抗氧化性能等，广泛应用于航天航空、交通运输等领域。炭纤维预制体(针刺毡)是采用纺织工艺方法将炭纤维铺设成纺织结构的预先成型件，是碳/碳复合材料、碳/陶复合材料等复合材料的骨架。预制体的结构种类很多，其中，针刺碳纤维预制体具有结构设计性强、空隙分布均匀、易致密成型等优点，克服了二维铺层预制体层间结合强度差及三维预制体加工周期长，成本高等缺点，成为各国争相采用的一种多用途、高技术含量的预制体。目前，碳纤维针刺预制体主要采用网胎和碳布叠层针刺工艺而成，其体积密度范围主要在0.1-0.65g/cm3。当碳纤维针刺预制体的体积密度大于0.6g/cm3时，其制备难度大、刺针容易受损，难以形成高质量的高密度碳纤维针刺预制体。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种高密度碳纤维针刺毡及其制备方法。本发明采用展宽纤维制备的碳纤维布替代了常用碳纤维布，降低了碳纤维布厚度，并减少了针刺过程中由于碳纤维之间的空隙引起的回弹现象，从而提高了碳纤维针刺毡的整体密度和机械强度。此外，本发明有利于高密度碳纤维针刺毡刺针寿命的延长。
本发明的技术方案如下：
一种高密度碳纤维针刺毡，所述针刺毡由碳纤维网胎和碳纤维展宽织物组成的结构单元经叠层针刺成型。
所述碳纤维展宽织物为展宽碳纤维单项布、展宽碳纤维平纹布或展宽碳纤维缎纹布。
所述碳纤维展宽织物采用的碳纤维规格为3K、6K、12K、18K、24K、48K或50K。
所述碳纤维展宽织物采用的碳纤维展宽纱线规格为4cm、8cm、10cm、12cm、16cm、20cm、24cm或30cm。
所述碳纤维展宽织物的面密度为40g/cm2、60g/cm2、80g/cm2、100g/cm2、120g/cm2、160g/cm2、200g/cm2或240g/cm2。
所述碳纤维网胎的面密度为30-100g/cm2。
一种高密度碳纤维针刺毡的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
(1)制备碳纤维展宽纱线；
将碳纤维以5-25米/分钟的速度通过温度为80-120℃的恒温区后，再依次通过压缩空气喷射区和真空吸附区，形成4-20mm的展宽碳纤维带后，喷树脂定型；
(2)制备碳纤维展宽织物和网胎；
以碳纤维展宽带为经纱、碳纤维展宽带或热塑性树脂纤维为纬纱，织造碳纤维展宽织物；将碳纤维进行短切，再经过加湿、开松、梳理、铺网后，形成网胎层；
(3)针刺成型
将碳纤维展宽织物和网胎按照设定构成结构单元，几个结构单元沿厚度方向叠合在一起，然后依照设计针刺参数针刺成型。
步骤(1)中所述碳纤维通过压缩空气喷射区的方法是：将压缩空气喷射到纤维表面，靠垂直于纤维方向的喷射气流，使纤维束弯曲的同时并分散开；压缩空气喷射速度为5-50m/s，碳纤维与喷射口的距离为5-50mm；所述碳纤维通过真空吸附区的方法是：将碳纤维均速通过真空吸附口，依靠真空吸附力，使纤维再次分散，并沿宽度方向移动而推动纤维束展开。
步骤(2)中所述热塑性树脂纤维为低熔点的热塑性树脂纤维，即聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乳酸纤维中的一种或多种。所述热塑性树脂纤维小于100tex。
本发明有益的技术效果在于：
本发明高密度碳纤维针刺预制体(针刺毡)实质为一种采用面密度低的碳纤维展宽织物取代普通碳布来提高整体密度的碳纤维预制体。通过展宽工艺获得较宽的碳纤维束，使得碳纤维单丝尽可能的平行排布，相邻的纤维束容易紧紧排列在一起，减少了纤维束与纤维束之间的空隙，同时获得高取向度的纤维；在碳纤维织物的制备过程中，减少碳纤维束单位面积内的交织次数，从而降低了碳纤维织物的整体厚度，同时也提高了织物的表面平整度。因碳纤维展宽织物厚度的降低和表面平整度的提高，单位厚度内的网胎和织物层数增多，提高了碳纤维预制体的体积密度；相对于常用碳纤维预制体，因纤维展宽后纤维以及纤维束之间孔隙的减少以及织物表面平整度的改善，减弱了针刺后碳纤维预制体的回弹，从而可以获得高密度的碳纤维针刺预制体。
此外，增大了纤维经、纬纱之间接触面积，使纤维束间滑动阻力增大，有利于织物强力的提高，因而机械性能优于传统碳纤维织物。交织位置的碳纤维厚度降低、分散均匀，也减少了针刺过程中，刺针刺入交织位置时，因碳纤维含量多、刚度大对刺针的损伤，提高了刺针的寿命。
附图说明
图1为普通针刺毡示意图；
其中，1为网胎层，2、碳布层。
图2为本发明实施例1中针刺毡部分结构的示意图；
其中，1为网胎层，2为展宽织物层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。
实施例1：
一种高密度碳纤维针刺预制体(针刺毡)，该碳纤维针刺预制体的体积密度为0.8g/cm3，厚度为4mm。该针刺预制体由10个结构单元构成，每个结构单元由1层碳纤维网胎和1层碳纤维展宽布组成，其中，碳纤维网胎的面密度为80g/m2，碳纤维展宽布的面密度为240g/m2。
按如下步骤制备碳纤维预制体：
(1)制备碳纤维展宽纱线；
将18K碳纤维以20米/分钟的速度通过温度为80℃的恒温区后，再依次通过压缩空气喷射区和真空吸附区，形成10mm的展宽碳纤维带后，喷树脂定型。压缩空气喷射速度为10m/s，碳纤维与喷射口的距离为10mm。
(2)制备碳纤维展宽织物和网胎；
以上述步骤(1)制备的碳纤维展宽带为经、纬纱，织造面密度为240g/m2碳纤维展宽平纹织布；将碳纤维进行短切，再经过加湿、开松、梳理、铺网后，形成面密度为80g/m2网胎层。
(3)针刺成型
将碳纤维展宽织物和网胎沿厚度方向按照一层网胎、一层碳纤维展宽平纹布叠合在一起，然后以针刺深度为4mm、针刺密度为60针/cm2针刺成型。
实施例2：
一种高密度碳纤维针刺预制体(针刺毡)，该碳纤维针刺预制体的体积密度为0.6g/cm3，厚度为20mm。该针刺预制体由30个结构单元构成，每个结构单元由2层碳纤维网胎和2层碳纤维展宽单向布组成，其中，碳纤维网胎的面密度为40g/m2，碳纤维展宽布的面密度为60g/m2。
按如下步骤制备碳纤维预制体：
(1)制备碳纤维展宽纱线；
将3K碳纤维以15米/分钟的速度通过温度为110℃的恒温区后，再依次通过压缩空气喷射区和真空吸附区，形成10mm的展宽碳纤维带后，喷树脂定型。压缩空气喷射速度为15m/s，碳纤维与喷射口的距离为8mm。
(2)制备碳纤维展宽织物和网胎；
以上述步骤(1)制备的碳纤维展宽带为经纱、10tex聚乙烯纤维为纬纱，织造面密度为160g/m2碳纤维展宽单向布；将12k碳纤维进行短切，再经过加湿、开松、梳理、铺网后，形成面密度为40g/m2网胎层。
(3)针刺成型
将碳纤维展宽织物和网胎沿厚度方向按照一层网胎、一层0°碳纤维展宽展宽单向布、一层网胎、一层90°碳纤维展宽展宽单向布叠合在一起，然后以针刺深度为1mm、针刺密度为15针/cm2预针刺；最后，将30个结构单元叠层，以针刺深度为16mm、针刺密度为40针/cm2针刺成型。
实施例3：
一种高密度碳纤维针刺预制体(针刺毡)，该碳纤维针刺预制体的体积密度为0.8g/cm3，厚度为6mm。该针刺预制体由8个结构单元构成，每个结构单元由2层碳纤维网胎和2层碳纤维展宽布组成，其中，碳纤维网胎的面密度为100g/m2，碳纤维展宽布的面密度为200g/m2。
按如下步骤制备碳纤维预制体：
(1)制备碳纤维展宽纱线；
将24K碳纤维以8米/分钟的速度通过温度为80℃的恒温区后，再依次通过压缩空气喷射区和真空吸附区，形成20mm的展宽碳纤维带后，喷树脂定型。压缩空气喷射速度为25m/s，碳纤维与喷射口的距离为20mm。
(2)制备碳纤维展宽织物和网胎；
以上述步骤(1)制备的碳纤维展宽带为经、纬纱，织造面密度为200g/m2碳纤维展宽平纹织布；将碳纤维进行短切，再经过加湿、开松、梳理、铺网后，形成面密度为100g/m2网胎层。
(3)针刺成型
将碳纤维展宽织物和网胎沿厚度方向按照一层网胎、一层碳纤维展宽平纹布叠合在一起，然后以针刺深度为6mm、针刺密度为40针/cm2针刺成型。
对比例
一种普通针刺预制体(针刺毡)，采用面密度为100g/m2的碳纤维网胎和面密度为200g/m2的普通碳纤维布，为原料，同样由2层碳纤维网胎和2层普通碳纤维布组成结构单元，将8个结构单元叠层在一起，并采用以针刺深度为6mm、针刺密度为40针/cm2针刺成型，最后获得了体积密度为0.76g/cm3、厚度为6.3mm的碳纤维针刺毡。
对比例和实施例3采用相同的工艺制备获得的预制体，其整体密度和弯曲强度测试数据以及相同面积样品时刺针平均使用寿命如表1所示。
表1
弯曲强度(MPa) 整体密度 刺针平均使用寿命
普通碳纤维针刺毡 52 0.76g/cm<sup>3</sup> 10-12个样品
高密度碳纤维针刺毡 60 0.80g/cm<sup>3</sup> 12-15个样品

Claims (10)

1.一种高密度碳纤维针刺毡，其特征在于，所述针刺毡由碳纤维网胎和碳纤维展宽织物组成的结构单元经叠层针刺成型。
2.根据权利要求1所述的高密度碳纤维针刺毡，其特征在于，所述碳纤维展宽织物为展宽碳纤维单项布、展宽碳纤维平纹布或展宽碳纤维缎纹布。
3.根据权利要求1所述的高密度碳纤维针刺毡，其特征在于，所述碳纤维展宽织物采用的碳纤维规格为3K、6K、12K、18K、24K、48K或50K。
4.根据权利要求1所述的高密度碳纤维针刺毡，其特征在于，所述碳纤维展宽织物采用的碳纤维展宽纱线规格为4cm、8cm、10cm、12cm、16cm、20cm、24cm或30cm。
5.根据权利要求1所述的高密度碳纤维针刺毡，其特征在于，所述碳纤维展宽织物的面密度为40g/cm2、60g/cm2、80g/cm2、100g/cm2、120g/cm2、160g/cm2、200g/cm2或240g/cm2。
6.根据权利要求1所述的高密度碳纤维针刺毡，其特征在于，所述碳纤维网胎的面密度为30-100g/cm2。
7.一种权利要求1所述的高密度碳纤维针刺毡的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
(1)制备碳纤维展宽纱线；
将碳纤维以5-25米/分钟的速度通过温度为80-120℃的恒温区后，再依次通过压缩空气喷射区和真空吸附区，形成4-20mm的展宽碳纤维带后，喷树脂定型；
(2)制备碳纤维展宽织物和网胎；
以碳纤维展宽带为经纱、碳纤维展宽带或热塑性树脂纤维为纬纱，织造碳纤维展宽织物；将碳纤维进行短切，再经过加湿、开松、梳理、铺网后，形成网胎层；
(3)针刺成型
将碳纤维展宽织物和网胎按照设定构成结构单元，几个结构单元沿厚度方向叠合在一起，然后依照设计针刺参数针刺成型。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述碳纤维通过压缩空气喷射区的方法是：将压缩空气喷射到纤维表面，靠垂直于纤维方向的喷射气流，使纤维束弯曲的同时并分散开；压缩空气喷射速度为5-50m/s，碳纤维与喷射口的距离为5-50mm；所述碳纤维通过真空吸附区的方法是：将碳纤维均速通过真空吸附口，依靠真空吸附力，使纤维再次分散，并沿宽度方向移动而推动纤维束展开。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述热塑性树脂纤维为低熔点的热塑性树脂纤维，即聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚酯纤维、聚乳酸纤维中的一种或多种。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述热塑性树脂纤维小于100tex。
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