CN115214203B - 一种碳纤维预制体复合单元层、预制体及其针刺工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型碳纤维预制体复合单元层、预制体及其针刺工艺，其复合单元层由自下而上依次布置的第一网胎层、第一碳布层、第二网胎层经连续针刺而成。新型碳纤维预制体由多层预制体结构单元层叠加热压而成，各层预制体结构单元中，第二层预制体结构单元层及第n层预制体结构单元层均包括复合单元层，n≥3。基于上述新型碳纤维预制体提供了一种新型碳纤维预制体针刺工艺。本发明提出了一种新型的复合单元，在使用新型复合单元制作碳纤维预制体时可以省去原有碳纤维预制体针刺工艺过程中单独上网胎的步骤，缩短了碳纤维预制体的制作时间，提高了生产效率。

Description

一种碳纤维预制体复合单元层、预制体及其针刺工艺
技术领域
本发明属于碳碳复合材料领域，具体地说涉及一种碳纤维预制体复合单元层、预制体及其针刺工艺。
背景技术
碳纤维增强复合材料具有强度高、比重小、耐高温、耐腐蚀等多种优点，被广泛利用在各行各业。其中碳纤维预制体作为增强体，对碳纤维增强复合材料的性能起到决定性作用。
目前，如图1-2所示，传统的碳纤维预制体针刺工艺中，碳纤维预制体的每层组成为传统的复合布110、绕丝层120及第五网胎层130，其中，复合布110采用一层第三碳布层111加一层第四网胎层112的结构形式，并通过连续针刺压制的手段复合而成。这种传统的碳纤维预制体针刺工艺需要绕丝层120包裹复合布110后进行第五网胎层130的上料工序，导致工时浪费较大，工作效率低。
因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种新型碳纤维预制体复合单元层、预制体及其针刺工艺，并提供如下技术方案：
一种新型碳纤维预制体复合单元层，该复合单元层由自下而上依次布置的第一网胎层、第一碳布层、第二网胎层经连续针刺而成。
本发明进一步设置为：第一网胎层的面密度大于第二网胎层的面密度。
本发明进一步设置为：第一网胎层的面密度为80g/m2-90g/m2，第二网胎层的面密度为50g/m2-60g/m2。
本发明进一步设置为：第一网胎层的面密度为85g/m2，第二网胎层的面密度为55g/m2。
一种新型碳纤维预制体，其由多层预制体结构单元层经连续针刺压制而成，各层预制体结构单元中，第二层预制体结构单元层至第n层预制体结构单元层均包括如上述所述的复合单元层，n≥3。
本发明进一步设置为：第二层预制体结构单元层由自下而上依次布置的复合单元层、绕丝层、复合单元层经连续针刺而成，第三层预制体结构单元层至第n+1层预制体结构单元层均由绕丝层及复合单元层经连续针刺而成。
本发明进一步设置为：第一层预制体结构单元层由自下而上依次布置的第二碳布层及第三网胎层经连续针刺压制而成，第三网胎层与第二网胎层相同，第一碳布层与第二碳布层相同。
一种新型碳纤维预制体针刺工艺，其包括以下步骤;
步骤S1、将第二碳布层与第三网胎层沿厚度方向叠合在一起，然后连续针刺，形成第一层预制体结构单元层；
步骤S2、将第一网胎层、第一碳布层、第二网胎层沿厚度方向自下而上依次叠合在一起，然后针刺，形成复合单元层，将复合单元层叠合于步骤S1中第一层预制体结构单元层上，在复合单元层的顶面上绕碳纤维丝束形成碳纤维丝束层，然后在碳纤维丝束层上再叠合复合单元层，经连续针刺后在第一层预制体结构单元层的顶部形成第二层预制体结构单元层；
步骤S3、在步骤S2中第二层预制体结构单元层的顶部再次绕碳纤维丝束形成碳纤维丝束层，然后再该碳纤维丝束层上再叠合复合单元层，经再次连续针刺后在第二层预制体结构单元层的顶部形成第三层预制体结构单元层；
步骤S4、重复步骤S3，形成第n+1层预制体结构单元层，n≥3。
本发明进一步设置为：碳纤维丝束层由位于底部且碳纤维丝束呈交叉缠绕的网格层、位于网格层顶部且碳纤维丝束沿直径方向缠绕的横丝层组成。
综上所述，本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
（1）本发明提出了一种新型的复合单元层，在使用新型复合单元层制作碳纤维预制体时可以省去原有碳纤维预制体针刺工艺过程中单独上网胎的步骤，缩短了碳纤维预制体的制作时间，提高了生产效率。
（2）本发明提出的复合单元层中，碳布层顶底两侧的网胎层与碳布层之间的连接强度相对原有碳纤维预制体针刺工艺过程中单独上料的网胎与相邻的碳布之间的连接强度更强，解决了现有碳纤维预制体针刺工艺中因网胎与复合布连接性较差导致碳纤维预制体分层的问题。
（3）采用本发明提出的复合单元层制作的碳纤维预制体的体密度相对于现有碳纤维预制体的体密度更高，为产品品质的提升提供了良好的前提条件。
附图说明
图1是本发明背景技术中复合布的结构示意图；
图2是本发明背景技术中碳纤维预制体的结构示意图；
图3是本发明实施例1中复合单元层的结构示意图；
图4是本发明实施例中碳纤维预制体的结构示意图；
附图中：110、复合布；111、第三碳布层；112、第四网胎层；120、绕丝层；130、第五网胎层；200、复合单元层；210、第一网胎层；220、第一碳布层；230、第三网胎层；240、第二碳布层；250、碳纤维丝束层。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。
术语解释：
绕丝：通过一定方式使用碳纤维丝束缠绕碳纤维预制体，使复合布紧贴合模具的方式。
复合布：碳纤维平纹布/斜纹布+网胎平铺，通过平板针刺机连续针刺得到的产物。
实施例1
以碳纤维预制体为埚邦预制体为例，提出了一种新型碳纤维预制体复合单元层200，如图3-4所示，该复合单元层200由自下而上依次布置的第一网胎层210、第一碳布层220、第二网胎层经连续针刺而成。
进一步地，第一网胎层210的面密度大于第二网胎层的面密度。位于第一碳布层220顶部的第二网胎层的面密度小于位于第一碳布层220底部的第一网胎层210的面密度，有助于第二网胎层上绕丝的进行，不会因为第二网胎太厚导致绕丝过程中产品表面因受力凹凸不平，增加下一层上料的难度。
进一步地，第一网胎层210的面密度为80g/m2-90g/m2，第二网胎层的面密度为50g/m2-60g/m2。
优选的，本实施例中，第一网胎层210的面密度为85g/m2，第二网胎层的面密度为55g/m2。
当第二网胎层及第二网胎层太厚时，会导致产品的网胎含量较大，碳布含量相对较少，影响产品品质。当第二网胎层及第二网胎层的网胎太薄时，会影响产品中每层之间的连接性，从而导致产品分层，最终影响产品质量。
第一网胎层210及第二网胎层太薄太厚都会影响产品的网胎含量及产品的密度，网胎含量越高，产品密度越低，反之产品密度越高，但是产品的连接性较差，可能会导致产品分层的情况。
本实施例中，碳纤维预制体密度要求在0.45g/cm3-0.5g/cm3之间，碳布含量要求为80%，通过计算获得第一网胎层210及第二网胎层的搭配使用的优选规格为第一网胎层210的面密度为85g/m2，第二网胎层的面密度为55g/m2。
制作新型复合单元时，第一网胎层210及第二网胎层的网胎规格可以根据实际情况决定，本实施例使用的是传统工艺使用的网胎规格。
网胎的制作过程为：把碳纤维丝切断成60-80mm的短切纤维丝，使用相应药剂软化后通过网胎机制作而成，可以通过调整网胎机参数得到各种克重的网胎。
一种新型碳纤维预制体，其由多层预制体结构单元层经连续针刺压制而成，各层预制体结构单元中，第二层预制体结构单元层至第n层预制体结构单元层均包括如上述所述的复合单元层200，n≥3。
进一步地，第二层预制体结构单元层包括自下而上依次布置的复合单元层200、碳纤维丝束层250、复合单元层200经连续针刺而成，第三层预制体结构单元层至第n+1层预制体结构单元层均由碳纤维丝束层250及复合单元层200经连续针刺而成。
进一步地，第一层预制体结构单元层由自下而上依次布置的第二碳布层240及第三网胎层230经连续针刺压制而成，第三网胎层230与第二网胎层相同，第一碳布层220与第二碳布层240相同。
一种新型碳纤维预制体针刺工艺，其包括以下步骤;
步骤S1、将第二碳布层240与第三网胎层230沿厚度方向叠合在一起，然后连续针刺，形成第一层预制体结构单元层；
步骤S2、将第一网胎层210、第一碳布层220、第二网胎层沿厚度方向自下而上依次叠合在一起，然后针刺，形成复合单元层200，将复合单元层200叠合于步骤S1中第一层预制体结构单元层上，在复合单元层200的顶面上绕碳纤维丝束形成碳纤维丝束层250，然后在碳纤维丝束层250上再叠合复合单元层200，经连续针刺后在第一层预制体结构单元层的顶部形成第二层预制体结构单元层；
步骤S3、在步骤S2中第二层预制体结构单元层的顶部再次绕碳纤维丝束形成碳纤维丝束层250，然后再该碳纤维丝束层250上再叠合复合单元层200，经再次连续针刺后在第二层预制体结构单元层的顶部形成第三层预制体结构单元层；
步骤S4、重复步骤S3，形成第n+1层预制体结构单元层。
进一步地，碳纤维丝束层250由位于底部且碳纤维丝束呈交叉缠绕的网格层、位于网格层顶部且碳纤维丝束沿碳纤维预制体直径方向缠绕的横丝层组成。
横丝层起到了拉紧、固定、捆绑的作用。相邻横丝之间的间距优选为5mm-6mm，实验表明，相邻横丝之间的间距过小，导致相邻横丝之间太密集，相邻横丝容易重叠，进而导致产品分层。相邻横丝之间的间距过大，会导致横丝层拉紧、固定及捆绑效果差。网格层由斜丝相互交叉缠绕而成，网格的大小优选为50mm-60mm，网格过大或过小产品的均匀度不佳，影响产品的质量。
碳纤维预制体针刺工艺可根据碳纤维预制体类型及实际需求做相应调整，直筒类碳纤维预制体因其结构特点不绕斜丝，平板类碳纤维预制体因其结构特点不绕丝。
实施例2
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
第一网胎层210的面密度为80g/m2，第二网胎层的面密度为50g/m2。
实施例3
本实施例与实施例1相同之处不再赘述，不同之处在于：
第一网胎层210的面密度为90g/m2，第二网胎层的面密度为60g/m2。
对比例1
采用背景技术中传统的复合布及碳纤维预制体网胎工艺制作埚邦产品。
碳纤维预制体针刺工艺中，碳纤维预制体的每层组成为传统的复合布、绕丝层及面密度为85g/m2的第五网胎层，复合布及绕丝层及第五网胎层组成碳纤维预制体结构单元层。按照每层碳纤维预制体结构单元层的结构进行重复上料。其中，复合布采用一层第三碳布层加一层面密度为55g/m2的第四网胎层的结构形式，通过连续针刺压制的手段复合而成。
对比例2
采用背景技术中传统的复合布及碳纤维预制体网胎工艺制作埚邦产品。
碳纤维预制体针刺工艺中，碳纤维预制体的每层组成为传统的复合布、绕丝层及面密度为80g/m2的第五网胎层，复合布及绕丝层及第五网胎层组成碳纤维预制体结构单元层。按照每层碳纤维预制体结构单元层的结构进行重复上料。其中，复合布采用一层第三碳布层加一层面密度为50g/m2的第四网胎层的结构形式，通过连续针刺压制的手段复合而成。
对比例3
采用背景技术中传统的复合布及碳纤维预制体网胎工艺制作埚邦产品。
碳纤维预制体针刺工艺中，碳纤维预制体的每层组成为传统的复合布、绕丝层及面密度为90g/m2的第五网胎层，复合布及绕丝层及第五网胎层组成碳纤维预制体结构单元层。按照每层碳纤维预制体结构单元层的结构进行重复上料。其中，复合布采用一层第三碳布层加一层面密度为60g/m2的第四网胎层的结构形式，通过连续针刺压制的手段复合而成。
对比分析：
实施例1-3及对比例1-3的碳纤维预制体结构单元层的层数相同。分别对通过实施例1-3中复合单元层、碳纤维预制体及碳纤维预制体针刺工艺获得产品埚邦及通过对比例1-3中复合布及传统碳纤维预制体针刺工艺获得的产品埚邦进行称重并计算其密度，获得的数据参见表1。
结果表明：
在采用相同的网胎规格条件下，采用本实施例1-3提出的复合单元层制作的碳纤维预制体的体密度相对于对比例1-3中现有复合布制作的碳纤维预制体的体密度更高。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (2)

1.一种碳纤维预制体，其特征在于，包括复合单元层，所述复合单元层由自下而上依次布置的第一网胎层、第一碳布层、第二网胎层经连续针刺而成；第一网胎层的面密度为85g/m2，第二网胎层的面密度为55g/m2 ；所述碳纤维预制体由多层预制体结构单元层经连续针刺压制而成，各层预制体结构单元层中，第二层预制体结构单元层至第n层预制体结构单元层均包括所述复合单元层，n≥3；
第二层预制体结构单元层由自下而上依次布置的复合单元层、碳纤维丝束层、复合单元层经连续针刺而成，第三层预制体结构单元层至第n+1层预制体结构单元层均由碳纤维丝束层及复合单元层经连续针刺而成；
第一层预制体结构单元层由自下而上依次布置的第二碳布层及第三网胎层经连续针刺压制而成，第三网胎层与第二网胎层相同，第一碳布层与第二碳布层相同；
所述碳纤维丝束层由位于底部且碳纤维丝束呈交叉缠绕的网格层、位于网格层顶部且碳纤维丝束横向缠绕的横丝层组成。
2.一种碳纤维预制体针刺工艺，其特征在于,制备如权利要求1中所述的碳纤维预制体，工艺包括以下步骤;
步骤S1、将第二碳布层与第三网胎层沿厚度方向叠合在一起，然后连续针刺，形成第一层预制体结构单元层；
步骤S2、将第一网胎层、第一碳布层、第二网胎层沿厚度方向自下而上依次叠合在一起，然后针刺，形成复合单元层，将复合单元层叠合于步骤S1中第一层预制体结构单元层上，在复合单元层的顶面上绕碳纤维丝束形成碳纤维丝束层，然后在碳纤维丝束层上再叠合复合单元层，经连续针刺后在第一层预制体结构单元层的顶部形成第二层预制体结构单元层；
步骤S3、在步骤S2中第二层预制体结构单元层的顶部再次绕碳纤维丝束形成碳纤维丝束层，然后在该碳纤维丝束层上再叠合复合单元层，经再次连续针刺后在第二层预制体结构单元层的顶部形成第三层预制体结构单元层；
步骤S4、重复步骤S3，形成第n+1层预制体结构单元层，n≥3。
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