CN115305643B - 一种摩擦材料预制体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种摩擦材料预制体，由碳纤维网胎层和开松的碳纤维短丝层叠层针刺制备，碳纤维网胎层和碳纤维短丝层可根据摩擦材料的特性要求进行逐层设计，碳纤维网胎面密度为10‑300g/m2，碳纤维短丝层面密度为100‑500g/m2。一种摩擦材料预制体的制备方法，包括制备碳纤维网胎层、制备碳纤维短丝层、铺放、针刺成型步骤。本发明将不同长度的碳纤维短丝开松后制备碳纤维短丝层用于取代碳纤维无纬布并与碳纤维网胎交替叠层针刺制备摩擦材料预制体，使碳纤维在面内均匀铺放，保证制备的摩擦材料面内碳相分布均匀，从而提高材料摩擦性能的稳定性。
Description
技术领域
本发明属于碳基复合材料技术领域，具体涉及一种碳基复合材料预制体及其制备方法。
背景技术
碳基复合材料由于密度低、导热好、高温力学性能和摩擦性能优异等特点，广泛应用于摩擦材料制动领域，包括飞机、汽车、高铁等。碳纤维预制体作为制备碳基复合材料的关键构件，其制备技术一直是国内外研究的热点。
目前，常用的碳纤维预制体结构由碳纤维网胎和碳纤维无纬布叠层铺设针刺而成，该工艺方法操作简单，生产效率高，适用于大批量生产，但是该方法制备的预制体经过CVD沉积得到的摩擦材料由于碳纤维无纬布铺设具有明显的方向性，摩擦面的碳相分布不均匀，导致刹车时摩擦系数不稳定，出现刹车抖动现象。上述情况严重制约了碳基复合材料在飞机、高铁、汽车等刹车领域的推广应用。
发明内容
针对现有预制体结构用于制备摩擦材料存在的问题，本发明提出了一种摩擦材料预制体及其制备方法。本发明采用开松的碳纤维短丝层取代碳纤维无纬布，开松后的碳纤维短丝呈现无规则均匀分布状态。该预制体制备的碳基摩擦材料碳相分布均匀，从而提高摩擦系数稳定性，解决刹车抖动问题。
本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种摩擦材料预制体，所述预制体由碳纤维网胎层和开松的碳纤维短丝层叠层针刺制备，如图1所示。序号(1-1、1-2、1-3、……、1-n)表示为碳纤维网胎层，其中，1-n表示为预制体第n层网胎层，序号(2-1、2-2、2-3、……、2-n-1)表示为碳纤维短丝层，其中，2-n-1表示为预制体第n-1层碳纤维短丝层。另外，碳纤维网胎层和碳纤维短丝层都具有较强的可设计性，即可根据摩擦材料的特性要求进行逐层设计。例如，碳纤维网胎层1-1、1-2、1-3、……、1-n分别对应的克重为1-ρ1、1-ρ2、1-ρ3、……1-ρn，其中，(1ρ1～1ρn)可使用同种规格的碳纤维网胎，又可以使用不同规格的碳纤维网胎，网胎规格划分包括但不局限于网胎制备使用的碳纤维规格、网胎克重等。碳纤维短丝层2-1、2-2、2-3、……、2-n-1分别对应克重2ρ1、2ρ2、2ρ3、……、2ρn-1，其中，(2ρ1～2ρn-1)可以使用同种规格的碳纤维短丝，又可使用不同规格的碳纤维短丝，碳纤维短丝规格划分包括但不局限于碳纤维短丝制备使用的碳纤维规格、碳纤维短丝克重、碳纤维短丝长度等。
所述碳纤维网胎面密度表示为1ρ1～1ρn，(1ρ1～1ρn)＝(10-300)g/m2，碳纤维的类型包括聚丙烯腈碳纤维、沥青基碳纤维，规格包括1K、3K、6K、12K、24K、48K。
所述碳纤维短丝层由不同长度的碳纤维短丝开松后制备得到，碳纤维短丝长度表示为2L1～2Lm，2L1～2Lm＝(0.5-100)mm，其中，2Lm表示为第m种长度的短纤维，碳纤维短丝层面密度表示为2ρ1～2ρn-1，(2ρ1～2ρn-1)＝(100-500)g/m2，碳纤维的类型包括聚丙烯腈碳纤维、沥青基碳纤维，规格是1K、3K、6K、12K、24K、48K。
一种摩擦材料预制体的制备方法，该制备方法包括如下步骤：
步骤1：制备碳纤维网胎层：
将碳纤维进行裁切，裁切至长度为L，L＝(50-150)mm，将裁切好的碳纤维放入防静电液水槽中浸泡t＝(10-100)min，取出自然干燥。采用梳理机对干燥的碳纤维进行梳理，得到碳纤维网胎，面密度表示为1ρ1～1ρn，1ρ1～1ρn＝(10-300)g/m2。将碳纤维网胎进行裁切，得到碳纤维网胎层，尺寸为：长×宽＝L1×L2。
步骤2：制备碳纤维短丝层：
将碳纤维进行裁切，得到碳纤维短丝，碳纤维短丝可有不同规格长度，表示为2L1～2Lm，2L1～2Lm＝(0.5-100)mm。将不同长度的碳纤维短丝按照重量比放入开松机开松，重量比可根据设计要求设置为任意比例。将开松后的碳纤维短丝进行称重，得到短纤维层，面密度表示为2ρ1～2ρn-1，2ρ1～2ρn-1＝(100-500)g/m2，尺寸为：长×宽＝L3×L4。
步骤3：铺放、针刺成型：
第一步：将步骤1所述的一片碳纤维布网胎铺放到硬质泡沫板上；
第二步：将步骤2所述的一片碳纤维短丝层均匀地铺放到网胎上；
第三步：再将步骤1所述的一片碳纤维布网胎铺放到碳纤维短丝层上，使用手持式刺针工具对铺放好的网胎-碳纤维短丝-网胎进行预针刺，预针刺位置选择产品四周和中心；
第四步：使用针刺机进行针刺成型，针刺密度为N，N＝(5～100)针/cm2，针刺深度为H，H＝(8～20)mm。
第五步：重复上述第一步到第四步操作，重复M次，得到短纤维预制体毛坯。使用数控裁切机依据产品尺寸对短纤维预制体毛坯裁切，得到成品短纤维预制体。
本发明的有益效果是：
本发明是将不同长度的碳纤维短丝开松后制备碳纤维短丝层用于取代碳纤维无纬布并与碳纤维网胎交替叠层针刺制备摩擦材料预制体。该工艺方法一方面使碳纤维在面内均匀铺放，保证制备的摩擦材料面内碳相分布均匀，从而提高材料摩擦性能的稳定性；另一方面，与长纤维织物相比，碳纤维短丝开松后能在后续CVD增密工序为沉积碳附着提供更多的活性位点，使制备的摩擦材料更加致密、均匀，从而提高材料摩擦性能的稳定性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明摩擦材料预制体示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细描述：
实施例1
一种摩擦材料预制体，该预制体的体积密度为0.5g/cm3，尺寸为长×宽×厚＝500mm×500mm×25mm。该预制体由31片网胎和30片碳纤维短丝层交替铺设针刺而成。其中，31片网胎采用同种规格，即面密度为：1ρ1～1ρ31＝100g/m2，尺寸为：长×宽＝530×530mm；30片碳纤维短丝层采用同种规格，即面密度为2ρ1～2ρ30＝300/m2，尺寸为：长×宽＝520×520mm。
按如下步骤制备碳纤维短丝摩擦材料预制体：
步骤1：制备碳纤维网胎：
将牌号CCF700S的12K聚丙烯腈碳纤维进行裁切，裁切至长度为L，L＝60mm，将裁切好的碳纤维放入防静电液水槽中浸泡t＝20min，取出自然干燥；采用梳理机对干燥的碳纤维进行梳理，得到碳纤维网胎，面密度为1ρ1～1ρ31，1ρ1～2ρn＝100g/m2。将碳纤维网胎进行裁切，得到碳纤维网胎层，尺寸为：长×宽＝530mm×530mm。
步骤2：制备碳纤维短丝层：
将牌号CCF700S的12K聚丙烯腈碳纤维进行裁切，得到三种不同长度的碳纤维短丝，分别为2L1＝10mm，2L2＝30mm，2L3＝50mm。将上述不同长度的碳纤维短丝按照重量比2L1：2L2：2L2＝1:1:1放入开松机开松，将开松后的碳纤维短丝进行称重，得到碳纤维短丝层，面密度为2ρ1～2ρ30，2ρ1～2ρ30＝300g/m2，尺寸为：长×宽＝520mm×520mm。
步骤3：铺放、针刺成型：
第一步：将步骤1所述的一片碳纤维布网胎铺放到硬质泡沫板上；
第二步：将步骤2所述的一片碳纤维短丝层均匀地铺放到网胎上；
第三步：再将步骤1所述的一片碳纤维布网胎铺放到碳纤维短丝层上，使用手持式刺针工具对铺放好的网胎-碳纤维短丝-网胎进行预针刺，预针刺位置选择产品四周和中心；
第四步：使用针刺机进行针刺成型，针刺密度为N，N＝20针/cm2，针刺深度为H，H＝12mm。
第五步：重复上述第一步到第四步操作，重复M＝30次，得到短纤维预制体毛坯。使用数控裁切机对短纤维预制体毛坯裁切，得到成品短纤维预制体，体积密度为0.5g/cm3，尺寸为长×宽×厚＝500mm×500mm×25mm。
实施例2
一种摩擦材料预制体，该预制体的体积密度为0.5g/cm3，尺寸为长×宽×厚＝500mm×500mm×25mm。该预制体由31片网胎层和30片碳纤维短丝层针刺而成。其中，31片网胎层的规格不完全相同，其中，第1层到第10层和第21层到第31层选用面密度较大的网胎层，即(1ρ1～1ρ10)和(1ρ21～1ρ31)＝200g/m2，第11层到第20层选用面密度较小的网胎层，即(1ρ11～1ρ20)＝100g/m2，尺寸保持一致，尺寸为：长×宽＝530×530mm。30片碳纤维短丝层的规格不完全相同，其中，第1层到第10层和第21层到第30层选用面密度较小的碳纤维短丝层，即(2ρ1～2ρ10)和(2ρ21～2ρ30)＝200g/m2，第11层到第21层选用面密度较大的碳纤维短丝层，即(2ρ11～2ρ21)＝300g/m2，尺寸保持一致，尺寸为：长×宽＝520×520mm。
按如下步骤制备摩擦材料预制体：
步骤1：制备碳纤维网胎层：
将牌号CCF700S的12K聚丙烯腈碳纤维进行裁切，裁切至长度为L，L＝60mm，将裁切好的碳纤维放入防静电液水槽中浸泡t＝20min，取出自然干燥；采用梳理机对干燥的碳纤维进行梳理，得到碳纤维网胎，面密度为(2ρ1～2ρ10)和(2ρ21～2ρ31)＝200g/m2，(2ρ11～2ρ10)2ρ1～2ρ31＝100g/m2。将碳纤维网胎进行裁切，得到碳纤维网胎层，尺寸为：长×宽＝530mm×530mm。
步骤2：制备碳纤维短丝层：
将牌号CCF700S的12K聚丙烯腈碳纤维进行裁切，得到三种不同长度的碳纤维短丝，分别为2L1＝10mm，2L2＝30mm，2L3＝50mm。将上述不同长度的碳纤维短丝按照重量比2L1：2L2：2L2＝1:2:1放入开松机开松，将开松后的碳纤维短丝进行称重，得到碳纤维短丝层，面密度为(3ρ1～3ρ10)和(3ρ21～3ρ31)＝200g/m2，(2ρ11～2ρ10)2ρ1～2ρ31＝300g/m2，尺寸为：长×宽＝520mm×520mm。
步骤3：铺放、针刺成型：
第一步：将步骤1所述的一片碳纤维布网胎铺放到硬质泡沫板上；
第二步：将步骤2所述的一片碳纤维短丝层均匀地铺放到网胎上；
第三步：再将步骤1所述的一片碳纤维布网胎铺放到碳纤维短丝层上，使用手持式刺针工具对铺放好的网胎-碳纤维短丝-网胎进行预针刺，预针刺位置选择产品四周和中心；
第四步：使用针刺机进行针刺成型，针刺密度为N，N＝30针/cm2，针刺深度为H，H＝14mm。
第五步：重复上述第一步到第四步操作，重复M＝30次，得到短纤维预制体毛坯。使用数控裁切机对短纤维预制体毛坯裁切，得到成品短纤维预制体，体积密度为0.5g/cm3，尺寸为长×宽×厚＝500mm×500mm×25mm。
以上实施例仅是示范性和解释性，不对本发明的保护范围有任何的限制作用。
Claims (2)
1. 一种摩擦材料预制体，其特征在于，由碳纤维网胎层和开松的碳纤维短丝层叠层针刺制备；
序号 1-1、1-2、1-3、……、1-n 表示碳纤维网胎层，其中，1-n 表示为预制体第 n 层碳纤维网胎层，序号 2-1、2-2、2-3、……、2-n-1 表示碳纤维短丝层，其中，2-n-1
表示预制体第 n-1 层碳纤维短丝层；
碳纤维网胎层和碳纤维短丝层根据摩擦材料的特性要求进行逐层设计；碳纤维网胎层1-1、1-2、1-3、……、1-n 分别对应的克重为 1-ρ1、1-ρ2、1-ρ3、……1-ρn，其中，1ρ1~1ρn使用同种规格的碳纤维网胎，或使用不同规格的碳纤维网胎，碳纤维网胎规格划分包括网胎克重；碳纤维短丝层 2-1、2-2、2-3、……、2-n-1 分别对应克重 2ρ1、2ρ2、2ρ3、……、2ρn-1，其中，2ρ1~2ρn-1使用同种规格的碳纤维短丝，或不同规格的碳纤维短丝，碳纤维短丝规格划分包括碳纤维短丝克重、碳纤维短丝长度；
所述碳纤维短丝层由不同长度的碳纤维短丝开松后制备得到，碳纤维短丝长度为2L1~2Lm，2L1~2Lm=0.5-100mm，其中，2Lm表示为第m种长度的短纤维，碳纤维短丝层面密度为2ρ1~2ρn-1，2ρ1~2ρn-1=100-500g/m2，碳纤维的类型包括聚丙烯腈碳纤维、沥青基碳纤维，规格是1K、3K、6K、12K、24K、48K；
所述的摩擦材料预制体的制备方法包括如下步骤：
步骤 1：制备碳纤维网胎层：
将碳纤维进行裁切，裁切至长度为 L，L=50-150mm，将裁切好的碳纤维放入防静电液水槽中浸泡 t=10-100min，取出自然干燥；
采用梳理机对干燥的碳纤维进行梳理，得到碳纤维网胎，面密度为 1ρ1~1ρn，
1ρ1~1ρn=10-300g/m2；
将碳纤维网胎进行裁切，得到碳纤维网胎层；
步骤 2：制备碳纤维短丝层：
将碳纤维进行裁切，得到碳纤维短丝，碳纤维短丝可有不同规格长度，表示为
2L1~2Lm，2L1~2Lm=0.5-100mm；将不同长度的碳纤维短丝按照重量比放入开松机开
松，重量比可根据设计要求设置为任意比例；将开松后的碳纤维短丝进行称重，得
到短纤维层，面密度为 2ρ1~2ρn-1，2ρ1~2ρn-1=100-500g/m2；
步骤 3：铺放、针刺成型：
第一步：将步骤 1 所述的一片碳纤维布网胎铺放到硬质泡沫板上；
第二步：将步骤 2 所述的一片碳纤维短丝层均匀地铺放到网胎上；
第三步：再将步骤 1 所述的一片碳纤维布网胎铺放到碳纤维短丝层上，使用手持式刺针工具对铺放好的网胎-碳纤维短丝-网胎进行预针刺，预针刺位置选择产品四周和中心；
第四步：使用针刺机进行针刺成型，针刺密度为 N，N=5～100 针/cm2，针刺深度为H，H=8～20mm；
第五步：重复上述第一步到第四步操作，重复 M 次，得到短纤维预制体毛坯；使用数控裁切机依据产品尺寸对短纤维预制体毛坯裁切，得到成品短纤维预制体。
2. 根据权利要求 1 所述的摩擦材料预制体，其特征在于，所述碳纤维网胎面密度为1ρ1~1ρn，1ρ1~1ρn=10-300g/m2，碳纤维的类型包括聚丙烯腈碳纤维、沥青基碳纤维，规格包括1K、3K、6K、12K、24K、48K。
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