專利名稱：預(yù)氧化絲長纖維/碳纖維網(wǎng)胎復(fù)合針刺預(yù)制體及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合針刺預(yù)制體，尤其是由PAN (聚丙烯腈纖維)預(yù)氧化絲長纖維 與碳纖維網(wǎng)胎制成的復(fù)合針刺預(yù)制體，本發(fā)明還涉及該復(fù)合針刺預(yù)制體的制備方法。
背景技術(shù)：
復(fù)合針刺預(yù)制體，經(jīng)現(xiàn)代化的化學(xué)高溫、高壓力、各項碳/碳沉積工藝處理后，具 有耐高溫、耐摩擦、質(zhì)地輕等特性，是現(xiàn)代化發(fā)展公認的高科新材，是航空航天重要結(jié) 構(gòu)件的新型制品。
復(fù)合針刺預(yù)制體的原有工藝是采用聚丙烯腈基碳纖維長纖維與短纖維網(wǎng)胎經(jīng)多層 針剌制成立體預(yù)制體。工藝步驟主要包括1.將長為50-60mm的短纖維梳理成厚為 l-2mrn、面密度為40-600g/m2的網(wǎng)胎；2.將網(wǎng)胎鋪設(shè)成面層；3.將網(wǎng)胎與碳纖維長纖 維逐層針刺構(gòu)成立體預(yù)制體。
上述為原有工藝生產(chǎn)碳纖維預(yù)制體的過程，其中采用的纖維是經(jīng)過碳化工藝的纖維， 其制品在后續(xù)沉積工藝中需重新經(jīng)過高溫、碳化等一系列的重復(fù)處理，需額外消耗大量 的人力、物力，使生產(chǎn)成本比國外市場要高30%以上，并且使生產(chǎn)周期大大延長，無論 是生產(chǎn)成本還是生產(chǎn)效率都無法與國外產(chǎn)品相競爭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了克服上述的技術(shù)不足，提供一種PAN預(yù)氧化絲長纖維與碳纖維網(wǎng)胎結(jié)合 制成的復(fù)合針刺預(yù)制體，該復(fù)合針刺預(yù)制體將纖維的亂層結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S有序的結(jié)構(gòu)，使 模量、強度大幅度提高，且制造成本大幅下降，此外，本發(fā)明還涉及該復(fù)合針刺預(yù)制體 的制備方法。
本發(fā)明所述的一種預(yù)氧化絲長纖維/碳纖維網(wǎng)胎復(fù)合針刺預(yù)制體，為分層復(fù)合材料， 各層為預(yù)氧化絲長纖維和碳纖維網(wǎng)胎制成的單層復(fù)合料，該單層復(fù)合料由預(yù)氧化絲無緯 長纖維排列在碳纖維網(wǎng)胎上行成徑向纖維經(jīng)連續(xù)針制而成，多個的單層復(fù)合料再經(jīng)針刺 形成復(fù)合針刺預(yù)制體。
上述網(wǎng)胎厚度為0. 42-0. 8mm，連續(xù)預(yù)氧化絲無緯長纖維/網(wǎng)胎結(jié)合層為1. 2-1. 5mm。 針刺密度是40-45針/cm3。
上述預(yù)氧化絲長纖維/碳纖維網(wǎng)胎復(fù)合針刺預(yù)制體的制備方法，包括以下步驟
31) 將碳化絲纖維切制成長度為38-48咖，面密度30-38g/ni2的短纖維，噴灑水分使 短纖維保持3 5%濕度，之后放入烘箱內(nèi)加熱到30度，保溫28-30小時，取出短纖維 后經(jīng)開松機開松形成分離物料，再將分離后的短纖維鋪設(shè)成網(wǎng)胎，網(wǎng)胎的表面密度為 30-38g/m2，網(wǎng)胎厚度為0. 42-0. 8mm;
2) 將PAN預(yù)氧化長纖維在網(wǎng)胎上排列成徑向纖維進行針刺形成單層復(fù)合料，其中 的長纖維含量為85%，長纖維厚度為0.8-0.9咖，面密度300g-348g/m2，體積密度為 0. 5-0. 6g/cm3;
3) 以步驟2)制備的單層復(fù)合料為基本單元，經(jīng)多角度逐層交叉連續(xù)針刺形成復(fù)合 針刺預(yù)制體，層間密度控制在14±1層/cm，預(yù)刺密度為36-40針/cm3,進針深度為 16-20mm。
本發(fā)明采用PAN預(yù)氧化絲無緯長纖維與碳纖維網(wǎng)胎制備高性能復(fù)合針剌預(yù)制體， 而PAN預(yù)氧化絲無緯長纖維未經(jīng)過碳化工藝，是碳纖維的前身材料。使用這兩種材料生 產(chǎn)的高性能復(fù)合針刺預(yù)制體比舊工藝所需的材料成本節(jié)約30%左右，實現(xiàn)了后續(xù)產(chǎn)品經(jīng) 過現(xiàn)代化碳/碳化與沉積三合一 (高溫、碳化、沉積)的工藝制成立體預(yù)制體成為可能。 不但節(jié)約了人力、物力，而且大大縮減了生產(chǎn)周期。
本發(fā)明不僅在原材料上得到了更新，在生產(chǎn)工藝上更是得到了提高。為克服原生 產(chǎn)工藝技術(shù)上的不足，采用自動化機械設(shè)備開松與梳理纖維的結(jié)構(gòu)綜合面層，并分散在 設(shè)備表面層(纖維不能用任何化學(xué)處理劑，否則要影響制品的后續(xù)質(zhì)量指標(biāo)，采用多角 度逐層交叉針剌，實現(xiàn)纖維結(jié)構(gòu)的動態(tài)印對，使纖維的亂層結(jié)構(gòu)變?yōu)槿S有序的結(jié)構(gòu)， 制成的纖維網(wǎng)胎有360度的平面亂層次斷面結(jié)構(gòu)，大幅度提高了后續(xù)碳化工藝后產(chǎn)品的 模量和強度。
本發(fā)明采用碳纖維網(wǎng)胎有益于提高預(yù)制體層間結(jié)構(gòu)的強度。通過交叉針刺使預(yù)制 體上下層一體化，確保碳/碳化、沉積工藝中滲碳率高，結(jié)構(gòu)均勻。PAN預(yù)氧化絲無緯長 纖維/碳纖維網(wǎng)胎復(fù)合預(yù)制體與全用碳纖維制成預(yù)制體相比，因全用碳纖維的預(yù)制體是 沉積工藝過程中前面碳化材料，在后續(xù)沉積工藝中需經(jīng)過高溫、碳化、沉積等重復(fù)處理 工藝，需要大量的電力資源與物力、人力投入，這樣加重產(chǎn)品的成本，再加碳纖維原料 價格是PAN預(yù)氧化纖維絲的3倍左右，在現(xiàn)代高科技沉積工藝制成的成品降低了成本30呢 左右。在保證質(zhì)量的前題下，價格上與國外的同類產(chǎn)品具有競爭力。
具體實施方式
本發(fā)明所述的一種復(fù)合針剌預(yù)制體，為分層復(fù)合材料，各層材料分別為網(wǎng)胎和連續(xù) 預(yù)氧化絲無緯長纖維層， 一層網(wǎng)胎和一層連續(xù)預(yù)氧化絲無緯長纖維層針刺形成連續(xù)預(yù)氧 化絲無諱長纖維/網(wǎng)胎結(jié)合層，多個的連續(xù)預(yù)氧化絲無緯長纖維/網(wǎng)胎結(jié)合層針刺形成復(fù) 合針刺預(yù)制體。網(wǎng)胎厚度為0.42-0.8mm，連續(xù)預(yù)氧化絲無緯長纖維/網(wǎng)胎結(jié)合層為 1.2-L5腦。針刺密度是40-45針/cm3。
其工藝步驟是1)將碳化絲纖維切制成長度為38-48mm，面密度30-38g/m2的短纖 維，噴灑水分使短纖維保持3 5%濕度，之后放入烘箱內(nèi)加熱到30度，保溫28-30小 時，取出短纖維后經(jīng)開松機開松形成分離物料，再將分離后的短纖維鋪設(shè)成網(wǎng)胎，網(wǎng)胎 的表面密度為30-38g/m2,網(wǎng)胎厚度為0. 42-0. 8mm;
2) 將PAN預(yù)氧化長纖維在網(wǎng)胎上排列成徑向纖維進行針刺形成單層復(fù)合料，其中 的長纖維含量為85%，長纖維厚度為0.8-0.9mm,面密度300g-348g/m2，體積密度為 0. 5-0. 6g/cm3;
3) 以步驟2)制備的單層復(fù)合料為基本單元，經(jīng)多角度逐層交叉連續(xù)針刺形成復(fù)合 針剌預(yù)制體，層間密度控制在14±1層/cm，預(yù)刺密度為36-40針/cm3，進針深度為 16-20rara。
在針刺過程中層次越多預(yù)制體就越牢固，制品質(zhì)量也就越高。 本發(fā)明中連續(xù)預(yù)氧化絲無緯長纖維/網(wǎng)胎結(jié)合單層復(fù)合料，按發(fā)明工藝要每立方厘 米40-45針/cm3，以達到防止長纖維與網(wǎng)胎之間出現(xiàn)分層的目的，保證預(yù)制體層與層之 間的結(jié)合力度，有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量。長纖維/網(wǎng)胎單層復(fù)合料與預(yù)制體制作中以多角 度工藝方向針剌，按預(yù)制體總高度計算組合預(yù)制體的尺寸。預(yù)氧化絲無緯長纖維與碳纖
維網(wǎng)胎各自所占比例分別為長纖維占總量的lh 7-9;短纖維網(wǎng)胎占總量的ll: 4-2。
因預(yù)氧化絲無緯長纖維在后續(xù)沉積工藝中有30%左右會收縮成碳/碳纖維，所以預(yù) 氧化絲無緯長纖維的含量要求高一些，但具體數(shù)值要根據(jù)產(chǎn)品功能來決定。如用于高級 磨合材料，為符合其低密度、高滲碳量和高強度的要求，則長纖維含量要少一些。
碳纖維網(wǎng)胎預(yù)制體與加預(yù)氧化無緯長纖維制成的針刺預(yù)制體密度0.4g/cm3。網(wǎng)胎 制成的預(yù)制體體積結(jié)構(gòu)均勻性好，纖維內(nèi)結(jié)構(gòu)平面剪力均勻，是高要求工業(yè)上隔熱、防 幅射、耐高溫、高強度的優(yōu)良復(fù)合材料。
高密度的主體預(yù)制體用于航空航天等領(lǐng)域的高要求零部件復(fù)合材料，預(yù)氧化絲長 纖維含量比短纖維含量比例要高20%-30%，以滿足體積密度更高的要求。
5每層間密度15±1層/cm，但預(yù)氧化無緯長纖維面密度180g/i^,在此工藝中得體積 密度為0.42g/cm3，用于低密度復(fù)合材料，用于耐高溫、耐磨合、耐疲勞、導(dǎo)電、導(dǎo)熱、 耐腐蝕、質(zhì)量輕等特性，工業(yè)高要求零部復(fù)合碳/碳材料。
以上各種形狀預(yù)制體的形成結(jié)合工藝要求按設(shè)計預(yù)制體的預(yù)刺要求；如體積長X 寬X高及異形的預(yù)制體厚度。在發(fā)明論證中實踐了以上的PAN預(yù)氧化絲無緯長纖維/碳 纖維網(wǎng)胎相結(jié)合，經(jīng)多角度逐層交叉針刺制成的復(fù)合立體預(yù)制體，為后續(xù)三合一的沉積 工藝提供了基礎(chǔ)保證。該預(yù)制體經(jīng)沉積后得到的成品含碳量高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻一體化， 不分層，同時擁有高模量、高強度，且耐磨、耐高溫、耐疲勞，導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)越。
以下結(jié)合具體實例，進一步說明本發(fā)明在實際中的應(yīng)用，對工藝過程和參數(shù)設(shè)定 作具體闡述。
實例l:將碳化絲纖維切制成長度為38-48mm，面密度30-38g/m2的短纖維，在濕度 為3 5%的烘箱內(nèi)加熱到30度，經(jīng)28 30小時后纖維能自行柔軟、滑爽、改善了纖維 的質(zhì)地性能(但不能摻和任何化學(xué)成份與雜物，否則要影響后續(xù)制品的質(zhì)量)自動化設(shè) 備和纖維的改變性決定與網(wǎng)胎質(zhì)量一切結(jié)合，使短纖維密度形成分離物料，(因短纖維 不能受損否則要影響后續(xù)制品)在隔離狀態(tài)使纖維自動轉(zhuǎn)移到自動控制克重/厚度，利 用機械自動鋪設(shè)成網(wǎng)胎，表面密度為30-38g/m2，該制品是連續(xù)預(yù)氧化絲長纖維與碳纖維 網(wǎng)胎針刺單層復(fù)合料，通過PAN預(yù)氧化絲無緯長纖維排列成徑向纖維連續(xù)針制而成單層 復(fù)合料，長纖維含量為85%，面密度300g/m2，層間密度控制在14土l層/cm，預(yù)刺密度 為36 40針/cm3,進針深度為16mm,短纖維網(wǎng)胎厚度為0. 42mm，長纖維厚度為0. 8mm， 體積密度為0. 5g/cm3，該制品是構(gòu)成PAN預(yù)氧化纖維絲/碳纖維網(wǎng)胎復(fù)合預(yù)制體已進入了 現(xiàn)代化改革的沉積新工藝，縮短了三合一的時間，節(jié)省了成本，質(zhì)量輕，耐高溫等高性 能，該預(yù)制體適用于航空航天零部件碳/碳復(fù)合材料。
實例2:按上述工藝方法組合的網(wǎng)胎面密度前面所說比例為2，預(yù)氧化絲無緯長纖 維面密度為348g/m2，按預(yù)氧化絲無緯徑向長纖維按與網(wǎng)胎層針刺復(fù)合后進行逐層與平 面多角度針刺結(jié)合，按工藝要求預(yù)剌密度36 40針/cm夂針刺深度為20mm,按以上工藝 要求逐層平面多角度預(yù)刺層間密度15層/cm，短纖維網(wǎng)胎層厚為0. 5ram，徑向長纖維厚 度0.9mm,等于體積密度0.6g/cm3長纖維與網(wǎng)胎比結(jié)合的立體胚體氈，該預(yù)制體氈經(jīng)現(xiàn)
代化沉積工藝制成耐高溫、高磨合、等高性能優(yōu)點，比原市場產(chǎn)品大大降低了成本?？?用于剎車制動盤等高要求結(jié)構(gòu)件。實例3:按上述工藝論證的工藝組合，碳纖維網(wǎng)胎層面密度為123g/cm2，層間密度 18層/cm(不加長纖維)在平面逐層針刺結(jié)合，針剌密度54針/cm，網(wǎng)胎層厚度為0. 6咖, 等于體積密度為0.22g/cm3的立體預(yù)制體。該預(yù)制體經(jīng)現(xiàn)代化沉積工藝制成的制品有抗 輻射、隔熱、耐高溫等高性能材料，可用于冶煉工業(yè)高溫爐、醫(yī)療器材、防隔熱層材料、 抗輻射的超輕零部件材料，比原老工藝節(jié)約成本30%左右。
權(quán)利要求
1、一種預(yù)氧化絲長纖維/碳纖維網(wǎng)胎復(fù)合針刺預(yù)制體，為分層復(fù)合材料，其特征是各層為預(yù)氧化絲長纖維和碳纖維網(wǎng)胎制成的單層復(fù)合料，該單層復(fù)合料由預(yù)氧化絲無緯長纖維排列在碳纖維網(wǎng)胎上行成徑向纖維經(jīng)連續(xù)針制而成，多個單層復(fù)合料再經(jīng)針刺形成復(fù)合針刺預(yù)制體。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的預(yù)氧化絲長纖維/碳纖維網(wǎng)胎復(fù)合針剌預(yù)制體，其 特征是網(wǎng)胎厚度為0. 42-0. 8ram，連續(xù)預(yù)氧化絲無緯長纖維/碳纖維網(wǎng)胎結(jié)合層為 1.2-1.5mm,層間密度為14±1層/cm。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的復(fù)合針刺預(yù)制體，其特征是針剌密度是40-45 針/cm3。
4、 一種預(yù)氧化絲長纖維/碳纖維網(wǎng)胎復(fù)合針刺預(yù)制體的制備方法，其特征在 于包括以下步驟1) 將碳化絲纖維切制成長度為38-48mm,面密度30-38g/m2的短纖維，噴灑水 分使短纖維保持3 5%濕度，之后放入烘箱內(nèi)加熱到30度，保溫28-30小時，取 出短纖維后經(jīng)開松機開松形成分離物料，再將分離后的短纖維鋪設(shè)成網(wǎng)胎，網(wǎng)胎 的表面密度為30-38g/m2，網(wǎng)胎厚度為0. 42-0. 8畫；2) 將PAN預(yù)氧化長纖維在網(wǎng)胎上排列成徑向纖維進行針刺形成單層復(fù)合料， 其中的長纖維含量為85%,長纖維厚度為0.8-0. 9mm，面密度300g-348g/m2，體 積密度為0. 5-0. 6g/cm3;3) 以步驟2)制備的單層復(fù)合料為基本單元，經(jīng)多角度逐層交叉連續(xù)針剌形成 復(fù)合針刺預(yù)制體，層間密度控制在14±1層/cm，預(yù)刺密度為36-40針/cm3，進針深 度為16-20mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種預(yù)氧化絲長纖維/碳纖維網(wǎng)胎復(fù)合針刺預(yù)制體及其制備方法，針刺預(yù)制體為分層復(fù)合材料，各層為預(yù)氧化絲長纖維和碳纖維網(wǎng)胎制成的單層復(fù)合料，該單層復(fù)合料由預(yù)氧化絲無緯長纖維排列在碳纖維網(wǎng)胎上行成徑向纖維經(jīng)連續(xù)針制而成，多個單層復(fù)合料再經(jīng)針刺形成復(fù)合針刺預(yù)制體。采用本發(fā)明生產(chǎn)的制品經(jīng)現(xiàn)代化高科技碳/碳沉積工藝得到的產(chǎn)品含碳量高、不分層、具有耐磨合性能強、耐高溫、抗幅射、抗腐蝕、質(zhì)量輕等優(yōu)良性能，并且大大降低了生產(chǎn)時間與制作成本。高性能纖維制品是新興的功能性結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，其獨特的性能和先進的生產(chǎn)工藝決定了碳纖維產(chǎn)品在航空、航天、土木建筑、體育醫(yī)療、電子通訊等領(lǐng)域中的廣闊應(yīng)用前景。
文檔編號D04H5/08GK101503844SQ20091002490
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月2日
發(fā)明者繆伯承 申請人:宜興市飛舟高新科技材料有限公司