CN113502606A - 一种碳刹车盘预制体及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种碳刹车盘预制体及其制备方法，该预制体包括芯层组件及表层组件，表层组件设有一对，并分别接合于芯层组件两侧，其中，芯层组件的密度大于表层组件的密度，芯层组件的厚度小于表层组件的厚度，芯层组件与表层组件之间通过针刺复合；该碳刹车盘预制体的芯层组件采用长纤维层与短纤维层针刺复合形成，具有一定的力学强度及抗扭转能力，且芯层长纤维层密度高，中间沉积速率要高于两侧，更容易致密，而表层组件采用短纤维层针刺复合形成，其水平方向纤维损伤小，分散效果好，基本为单丝纤维相互搭接，形成均匀分布的孔隙，气体扩散速率大于沉积速率，可有效缓解沉积过程中碳刹车盘表面结壳的现象，有利于增密，使整体结构比较均匀。

Description

一种碳刹车盘预制体及其制备方法
技术领域
本发明涉及碳纤维制品，尤其涉及一种碳刹车盘预制体及其制备方法。
背景技术
碳刹车盘是采用碳纤维复合材料制作的刹车盘，其耐磨性能优异，使用寿命长。常用的碳刹车盘预制体一般采用以下结构：
1.碳布叠层预制体，这种预制体存在成本昂贵，质量一致性不好，在实际使用过程中容易出现剥层脱落现象，磨损量大，使用寿命短等问题；
2.短纤维模压预制体，这种预制体中纤维呈不连续分布，并随机取向，其最大的缺点是力学性能偏低；
3.连续纤维为主的针刺毡预制体，通常为碳布针刺毡预制体或无纬布针刺毡预制体，成型工艺基本为碳布-网胎为单元层铺层到一定厚度进行逐层针刺复合，相较于其他两种刹车盘预制体结构，其各向同性有所改善，Z向纤维使垂直方向导热及层间剪切强度得到提高，但在沉积过程中容易产生瓶颈效应，后期致密化慢，需经过反复热处理和加工来消除这种缺陷，导致制备周期长、成本高，所制备碳刹车盘的摩擦性能磨损性能不稳定。
碳/碳刹车盘预制体厚度为30～50mm，通常使用针刺毡结构的碳/碳复合材料，在沉积过程中，表面易结壳，必须通过多次热处理及机械加工消除结壳，直至最终致密化。同时针刺毡结构的碳/碳复合材料的开气孔率呈两侧低、中间高分布特征，容易产生瓶颈效应。
因此，有必要对这种碳刹车盘预制体及其制备方法进行结构优化，以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳刹车盘预制体及其制备方法，解决碳刹车盘材料制备周期长、成本高和摩擦性能不稳定的问题。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种碳刹车盘预制体，包括芯层组件及表层组件，表层组件设有一对，并分别接合于芯层组件两侧，其中：
芯层组件的密度大于表层组件的密度；
芯层组件的厚度小于表层组件的厚度；
芯层组件与表层组件之间通过针刺复合。
进一步，芯层组件采用长纤维层与短纤维层针刺复合形成；
表层组件采用短纤维层针刺复合形成。
进一步，长纤维层采用长纤维经纬布或长纤维无维布制作；
短纤维层采用短纤维网胎制作。
进一步，芯层组件的密度为0.55～0.65g/cm3，表层组件的密度为0.2～0.3g/cm3；
芯层组件的厚度为8～10mm，表层组件的厚度为12～14mm；
针刺复合过程中垂直渗透6％～10％的Z向纤维。
上述刹车盘预制体的制备方法，包括：
制备芯层组件：准备复数层长纤维层及短纤维层，复数层长纤维层及短纤维层间隔叠层并通过针刺复合，形成芯层组件；
制备第一表层组件：在芯层组件一侧铺放短纤维层，并通过针刺复合，形成第一表层组件；
制备第二表层组件：在芯层组件另一侧铺放短纤维层，并通过针刺复合，形成第二表层组件。
进一步，长纤维层采用密度为200～250g/m2的长纤维经纬布或长纤维无维布制作；
短纤维层采用密度为50～100g/m2的短纤维网胎制作。
进一步，相邻长纤维无维布的经线方向相互垂直。
进一步，制备芯层组件时，针刺密度为30～35刺/cm2，针刺深度为12～15mm。
进一步，铺放短纤维层时，每次铺放5～8层。
进一步，制备表层组件时，针刺密度为20～30刺/cm2，针刺深度为8～11mm。
本发明的优点在于：
该碳刹车盘预制体的芯层组件采用长纤维层与短纤维层针刺复合形成，具有一定的力学强度及抗扭转能力，且芯层长纤维层密度高，纤维体积分数大，沉积的有效比表面积大，从而中间沉积速率要高于两侧，更容易致密，逐渐两侧扩散，而表层组件采用短纤维层针刺复合形成，其水平方向纤维损伤小，分散效果好，基本为单丝纤维相互搭接，形成均匀分布的孔隙，内部孔隙直径较大，气体进入孔隙更加容易，气体扩散速率大于沉积速率，可有效缓解沉积过程中碳刹车盘表面结壳的现象，有利于增密，使整体结构比较均匀，有利于提升碳刹车盘的性能，并提升生产效率，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明提出的碳刹车盘预制体的结构示意图；
图2是芯层组件的结构示意图之一；
图3是芯层组件的结构示意图之二。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出的碳刹车盘预制体包括芯层组件100及表层组件200，表层组件设有一对，并分别接合于芯层组件两侧，其中，芯层组件的密度大于表层组件的密度，芯层组件的厚度小于表层组件的厚度，芯层组件与表层组件之间通过针刺复合；芯层组件的密度为0.55～0.65g/cm3，表层组件的密度为0.2～0.3g/cm3；芯层组件的厚度为8～10mm，表层组件的厚度为12～14mm；针刺复合过程中垂直渗透6％～10％的Z向纤维。
具体地，芯层组件采用长纤维层与短纤维层针刺复合形成，表层组件采用短纤维层针刺复合形成。长纤维层采用长纤维经纬布110或长纤维无维布120制作，短纤维层采用短纤维网胎210制作，如图2中，长纤维层采用长纤维经纬布制作，如图3中，长纤维层采用长纤维无维布制作。
上述刹车盘预制体的制备方法包括：
准备复数层长纤维层及短纤维层，复数层长纤维层及短纤维层间隔叠层并通过针刺复合，形成芯层组件；其中，长纤维层采用密度为200～250g/m2的长纤维经纬布或长纤维无维布制作，相邻长纤维无维布的经线方向相互垂直，针刺复合过程中，针刺密度为30～35刺/cm2，针刺深度为12～15mm；
在芯层组件一侧铺放短纤维层，并通过针刺复合，形成第一表层组件，在芯层组件另一侧铺放短纤维层，并通过针刺复合，形成第二表层组件；其中，短纤维层采用密度为50～100g/m2的短纤维网胎制作，铺放短纤维层时，每次铺放5～8层，针刺复合过程中，针刺密度为20～30刺/cm2，针刺深度为8～11mm。
该碳刹车盘预制体的芯层组件采用长纤维层与短纤维层针刺复合形成，具有一定的力学强度及抗扭转能力，且芯层长纤维层密度高，纤维体积分数大，沉积的有效比表面积大，从而中间沉积速率要高于两侧，更容易致密，逐渐两侧扩散，而表层组件采用短纤维层针刺复合形成，其水平方向纤维损伤小，分散效果好，基本为单丝纤维相互搭接，形成均匀分布的孔隙，内部孔隙直径较大，气体进入孔隙更加容易，气体扩散速率大于沉积速率，可有效缓解沉积过程中碳刹车盘表面结壳的现象，有利于增密，使整体结构比较均匀，有利于提升碳刹车盘的性能，并提升生产效率，降低生产成本。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

Claims (10)

1.一种碳刹车盘预制体，包括芯层组件及表层组件，表层组件设有一对，并分别接合于芯层组件两侧，其特征在于：
芯层组件的密度大于表层组件的密度；
芯层组件的厚度小于表层组件的厚度；
芯层组件与表层组件之间通过针刺复合。
2.根据权利要求1所述的一种碳刹车盘预制体，其特征在于：
芯层组件采用长纤维层与短纤维层针刺复合形成；
表层组件采用短纤维层针刺复合形成。
3.根据权利要求2所述的一种碳刹车盘预制体，其特征在于：
长纤维层采用长纤维经纬布或长纤维无维布制作；
短纤维层采用短纤维网胎制作。
4.根据权利要求1所述的一种碳刹车盘预制体，其特征在于：
芯层组件的密度为0.55～0.65g/cm3，表层组件的密度为0.2～0.3g/cm3；
芯层组件的厚度为8～10mm，表层组件的厚度为12～14mm；
针刺复合过程中垂直渗透6％～10％的Z向纤维。
5.根据权利要求1～4任一项所述的一种刹车盘预制体的制备方法，其特征在于，包括：
制备芯层组件：准备复数层长纤维层及短纤维层，复数层长纤维层及短纤维层间隔叠层并通过针刺复合，形成芯层组件；
制备第一表层组件：在芯层组件一侧铺放短纤维层，并通过针刺复合，形成第一表层组件；
制备第二表层组件：在芯层组件另一侧铺放短纤维层，并通过针刺复合，形成第二表层组件。
6.根据权利要求5所述的一种刹车盘预制体的制备方法，其特征在于：
长纤维层采用密度为200～250g/m2的长纤维经纬布或长纤维无维布制作；
短纤维层采用密度为50～100g/m2的短纤维网胎制作。
7.根据权利要求6所述的一种刹车盘预制体的制备方法，其特征在于：
相邻长纤维无维布的经线方向相互垂直。
8.根据权利要求5所述的一种刹车盘预制体的制备方法，其特征在于：
制备芯层组件时，针刺密度为30～35刺/cm2，针刺深度为12～15mm。
9.根据权利要求5所述的一种刹车盘预制体的制备方法，其特征在于：
铺放短纤维层时，每次铺放5～8层。
10.根据权利要求5所述的一种刹车盘预制体的制备方法，其特征在于：
制备表层组件时，针刺密度为20～30刺/cm2，针刺深度为8～11mm。
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