本發(fā)明屬于碳纖維復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法。
背景技術(shù)：
近年來，碳/碳復(fù)合材料廣泛應(yīng)用于熱場爐中，而平板、圓筒針刺預(yù)制體經(jīng)過化學(xué)氣相沉積后，也應(yīng)用于高溫爐、單晶硅拉制爐等熱場爐中。并且，對預(yù)制體的密度要求相對較高。因此，需要一種工藝簡單，操作方便的提高平板或圓筒狀預(yù)制體密度的方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法。該方法操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
步驟一、將碳纖維網(wǎng)胎鋪設(shè)在形狀為平板狀的泡沫墊層上，然后對鋪設(shè)有碳纖維網(wǎng)胎的泡沫墊層進(jìn)行針刺，得到打底材料；所述針刺的方向與泡沫墊層的上表面相垂直；
步驟二、將3～10層單元層鋪設(shè)在步驟一中所述打底材料上，得到鋪層材料；所述單元層由一層碳纖維網(wǎng)胎和一層碳纖維布疊設(shè)而成，所述碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的頂部；
步驟三、對步驟二中所述鋪層材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的鋪層材料進(jìn)行補(bǔ)刺，最終在泡沫墊層上得到密度為0.50g/cm3～0.70g/cm3的纖維針刺預(yù)制體；所述針刺和補(bǔ)刺的方向均與鋪層材料的上表面相垂直；所述補(bǔ)刺的次數(shù)m滿足：m＝n-2，n為鋪層材料中單元層的鋪設(shè)層數(shù)。
上述的一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，步驟一和步驟二中所述碳纖維網(wǎng)胎的面密度均為40g/m2～100g/m2。
上述的一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，步驟二中所述碳纖維布為無緯、平紋、斜紋或緞紋碳纖維布。
上述的一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，步驟二中所述碳纖維布的面密度為240g/m2～480g/m2。
上述的一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，步驟三中所述針刺和補(bǔ)刺的密度均為15針/cm2～50針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為15mm～25mm。
本發(fā)明還提供了另外一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，該方法包括以下步驟：
步驟一、將碳纖維網(wǎng)胎包覆在形狀為圓筒狀的芯模外，然后沿芯模的徑向方向?qū)Π灿刑祭w維網(wǎng)胎的芯模進(jìn)行針刺，得到打底材料；
步驟二、將單元層卷繞在步驟一中所述打底材料上，得到卷繞材料；所述單元層由一層碳纖維網(wǎng)胎和一層碳纖維布疊設(shè)而成，卷繞時所述碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的外側(cè)；所述單元層的卷繞層數(shù)為3～10層；
步驟三、對步驟二中所述卷繞材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的卷繞材料進(jìn)行補(bǔ)刺，最終在芯模外得到密度為0.50g/cm3～0.60g/cm3的纖維針刺預(yù)制體；所述針刺和補(bǔ)刺的方向均與芯模的徑向相一致；所述補(bǔ)刺的次數(shù)m滿足：m＝n-2，n為卷繞材料中單元層的卷繞層數(shù)。
上述的一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，步驟一和步驟二中所述碳纖維網(wǎng)胎的面密度均為40g/m2～100g/m2。
上述的一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，步驟二中所述碳纖維布為無緯、平紋、斜紋或緞紋碳纖維布。
上述的一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，步驟二中所述碳纖維布的面密度為240g/m2～480g/m2。
上述的一種提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法，其特征在于，步驟三中所述針刺和補(bǔ)刺的密度均為15針/cm2～50針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為15mm～25mm。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、本發(fā)明操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
2、本發(fā)明采用多單元層鋪層方式，大大提高工作效率。
3、本發(fā)明可根據(jù)密度要求，增加或者減少單元層的鋪層層數(shù)或卷繞層數(shù)，實(shí)現(xiàn)密度可控；本發(fā)明與傳統(tǒng)的針刺方法相比較，大大提高了平板、圓筒針刺碳纖維預(yù)制體的密度。
4、本發(fā)明適用范圍廣，可以廣泛應(yīng)用于飛機(jī)剎車盤或耐燒蝕碳/碳復(fù)合材料等纖維基體材料、高溫爐、單晶硅拉制爐等熱場爐中。
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
本實(shí)施例提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為80g/m2的碳纖維網(wǎng)胎鋪設(shè)在形狀為平板狀的泡沫墊層上，然后對鋪設(shè)有碳纖維網(wǎng)胎的泡沫墊層進(jìn)行針刺，得到打底材料；所述針刺的方向與泡沫墊層的上表面相垂直；
步驟二、將3層單元層逐層鋪設(shè)在步驟一中所述打底材料上，得到鋪層材料；所述單元層由一層面密度為80g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為360g/m2的平紋碳纖維布疊設(shè)而成，且碳纖維網(wǎng)胎位于平紋碳纖維布的頂部；
步驟三、對步驟二中所述鋪層材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的鋪層材料進(jìn)行1次補(bǔ)刺，最終在泡沫墊層上得到密度為0.55g/cm3的碳纖維平板針刺預(yù)制體；所述針刺和補(bǔ)刺的方向均與鋪層材料的上表面相垂直；針刺和補(bǔ)刺的密度均為20針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為16mm。
本實(shí)施例所述方法操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
對比例1
本對比例碳纖維針刺預(yù)制體的制備方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為80g/m2的碳纖維網(wǎng)胎鋪設(shè)在形狀為平板狀的泡沫墊層上，然后對鋪設(shè)有碳纖維網(wǎng)胎的泡沫墊層進(jìn)行針刺，得到打底材料；所述針刺的方向與泡沫墊層的上表面相垂直；
步驟二、將3層單元層逐層鋪設(shè)在步驟一中所述打底材料上，并在逐層鋪設(shè)的過程中逐層進(jìn)行針刺，在泡沫墊層上得到碳纖維平板針刺預(yù)制體；所述單元層由一層面密度為80g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為360g/m2的平紋碳纖維布疊設(shè)而成，且碳纖維網(wǎng)胎位于平紋碳纖維布的頂部，且碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的頂部；針刺密度為20針/cm2，針刺深度為16mm；
經(jīng)檢測，采用對比例1所制備的碳纖維平板針刺預(yù)制體的密度為0.42g/cm3。
通過將對比例1與實(shí)施例1對比分析可知，本發(fā)明通過將多層單元層一次性鋪設(shè)完畢，然后再進(jìn)行針刺和補(bǔ)刺，能夠顯著提高碳纖維針刺預(yù)制體的密度。
實(shí)施例2
本實(shí)施例提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為60g/m2的碳纖維網(wǎng)胎鋪設(shè)在形狀為平板狀的泡沫墊層上，然后對鋪設(shè)有碳纖維網(wǎng)胎的泡沫墊層進(jìn)行針刺，得到打底材料；所述針刺的方向與泡沫墊層的上表面相垂直；
步驟二、將6層單元層逐層鋪設(shè)在步驟一中所述打底材料上，得到鋪層材料；所述單元層由一層面密度為60g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為400g/m2的無緯碳纖維布疊設(shè)而成，且碳纖維網(wǎng)胎位于無緯碳纖維布的頂部；
步驟三、對步驟二中所述鋪層材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的鋪層材料進(jìn)行4次補(bǔ)刺，最終在泡沫墊層上得到密度為0.61g/cm3的碳纖維平板針刺預(yù)制體；所述針刺和補(bǔ)刺的方向均與鋪層材料的上表面相垂直；針刺和補(bǔ)刺的密度均為25針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為20mm。
本實(shí)施例所述方法操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
實(shí)施例3
本實(shí)施例提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為100g/m2的碳纖維網(wǎng)胎鋪設(shè)在形狀為平板狀的泡沫墊層上，然后對鋪設(shè)有碳纖維網(wǎng)胎的泡沫墊層進(jìn)行針刺，得到打底材料；所述針刺的方向與泡沫墊層的上表面相垂直；
步驟二、將10層單元層逐層鋪設(shè)在步驟一中所述打底材料上，得到鋪層材料；所述單元層由一層面密度為50g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為480g/m2的緞紋碳纖維布疊設(shè)而成，且碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的頂部；
步驟三、對步驟二中所述鋪層材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的鋪層材料進(jìn)行8次補(bǔ)刺，最終在泡沫墊層上得到密度為0.70g/cm3的碳纖維平板針刺預(yù)制體；所述針刺和補(bǔ)刺的方向均與鋪層材料的上表面相垂直；針刺和補(bǔ)刺的密度均為15針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為25mm。
本實(shí)施例所述方法操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
實(shí)施例4
本實(shí)施例提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為40g/m2的碳纖維網(wǎng)胎鋪設(shè)在形狀為平板狀的泡沫墊層上，然后對鋪設(shè)有碳纖維網(wǎng)胎的泡沫墊層進(jìn)行針刺，得到打底材料；所述針刺的方向與泡沫墊層的上表面相垂直；
步驟二、將6層單元層逐層鋪設(shè)在步驟一中所述打底材料上，得到鋪層材料；所述單元層由一層面密度為40g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為240g/m2的無緯碳纖維布疊設(shè)而成，且碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的頂部；
步驟三、對步驟二中所述鋪層材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的鋪層材料進(jìn)行4次補(bǔ)刺，最終在泡沫墊層上得到密度為0.52g/cm3的碳纖維平板針刺預(yù)制體；所述針刺和補(bǔ)刺的方向均與鋪層材料的上表面相垂直；針刺和補(bǔ)刺的密度均為50針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為15mm。
本實(shí)施例所述方法操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
實(shí)施例5
本實(shí)施例提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為45g/m2的碳纖維網(wǎng)胎包覆在形狀為圓筒狀的芯模外，然后沿芯模的徑向方向?qū)Π灿刑祭w維網(wǎng)胎的芯模進(jìn)行針刺，得到打底材料；
步驟二、將單元層卷繞在步驟一中所述打底材料上，得到卷繞材料；所述單元層由一層面密度為45g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為480g/m2的緞紋碳纖維布疊設(shè)而成，卷繞時所述碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的外側(cè)；所述單元層的卷繞層數(shù)為4層；
步驟三、對步驟二中所述卷繞材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的卷繞材料進(jìn)行2次補(bǔ)刺，最終在芯模外得到密度為0.57g/cm3的碳纖維圓筒針刺預(yù)制體；所述針刺和補(bǔ)刺的方向均與芯模的徑向相一致；針刺和補(bǔ)刺的密度均為30針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為20mm。
本實(shí)施例所述方法操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
對比例2
本對比例碳纖維針刺預(yù)制體的制備方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為45g/m2的碳纖維網(wǎng)胎包覆在形狀為圓筒狀的芯模外，然后沿芯模的徑向方向?qū)Π灿刑祭w維網(wǎng)胎的芯模進(jìn)行針刺，得到打底材料；
步驟二、將單元層卷繞在步驟一中所述打底材料上，并在卷繞過程中，每卷繞一層進(jìn)行一次針刺，針刺方向?yàn)樾灸５膹较?；針刺密度?0針/cm2，針刺深度為20mm，在芯模外得到碳纖維圓筒針刺預(yù)制體；所述單元層由一層面密度為45g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為480g/m2的緞紋碳纖維布疊設(shè)而成，卷繞時所述碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的外側(cè)；所述單元層的卷繞層數(shù)為4層。
經(jīng)檢測，采用對比例2所制備的碳纖維圓筒針刺預(yù)制體的密度為0.46g/cm3。
通過將對比例2與實(shí)施例5對比分析可知，本發(fā)明通過將單元層一次性卷繞完畢，然后再進(jìn)行針刺和補(bǔ)刺，能夠顯著提高碳纖維針刺預(yù)制體的密度。
實(shí)施例6
本實(shí)施例提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為40g/m2的碳纖維網(wǎng)胎包覆在形狀為圓筒狀的芯模外，然后沿芯模的徑向方向?qū)Π灿刑祭w維網(wǎng)胎的芯模進(jìn)行針刺，得到打底材料；
步驟二、將單元層卷繞在步驟一中所述打底材料上，得到卷繞材料；所述單元層由一層面密度為40g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為240g/m2的斜紋碳纖維布疊設(shè)而成，卷繞時所述碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的外側(cè)；所述單元層的卷繞層數(shù)為5層；
步驟三、對步驟二中所述卷繞材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的卷繞材料進(jìn)行3次補(bǔ)刺，最終在芯模外得到密度為0.53g/cm3的碳纖維圓筒針刺預(yù)制體；所述針刺和補(bǔ)刺的方向均與芯模的徑向相一致；針刺和補(bǔ)刺的密度均為15針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為25mm。
本實(shí)施例所述方法操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
實(shí)施例7
本實(shí)施例提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為100g/m2的碳纖維網(wǎng)胎包覆在形狀為圓筒狀的芯模外，然后沿芯模的徑向方向?qū)Π灿刑祭w維網(wǎng)胎的芯模進(jìn)行針刺，得到打底材料；
步驟二、將單元層卷繞在步驟一中所述打底材料上，得到卷繞材料；所述單元層由一層面密度為100g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為480g/m2的無緯碳纖維布疊設(shè)而成，卷繞時所述碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的外側(cè)；所述單元層的卷繞層數(shù)為3層；
步驟三、對步驟二中所述卷繞材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的卷繞材料進(jìn)行1次補(bǔ)刺，最終在芯模外得到密度為0.51g/cm3的碳纖維圓筒針刺預(yù)制體；所述針刺和補(bǔ)刺的方向均與芯模的徑向相一致；針刺和補(bǔ)刺的密度均為15針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為15mm。
本實(shí)施例所述方法操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
實(shí)施例8
本實(shí)施例提高碳纖維針刺預(yù)制體密度的方法包括以下步驟：
步驟一、將面密度為100g/m2的碳纖維網(wǎng)胎包覆在形狀為圓筒狀的芯模外，然后沿芯模的徑向方向?qū)Π灿刑祭w維網(wǎng)胎的芯模進(jìn)行針刺，得到打底材料；
步驟二、將單元層卷繞在步驟一中所述打底材料上，得到卷繞材料；所述單元層由一層面密度為50g/m2的碳纖維網(wǎng)胎和一層面密度為400g/m2的斜紋碳纖維布疊設(shè)而成，卷繞時所述碳纖維網(wǎng)胎位于碳纖維布的外側(cè)；所述單元層的卷繞層數(shù)為10層；
步驟三、對步驟二中所述卷繞材料進(jìn)行針刺，然后對針刺后的卷繞材料進(jìn)行8次補(bǔ)刺，最終在芯模外得到密度為0.60g/cm3的碳纖維圓筒針刺預(yù)制體；針刺和補(bǔ)刺的密度均為50針/cm2，所述針刺和補(bǔ)刺的深度均為25mm。
本實(shí)施例所述方法操作簡單，生產(chǎn)連續(xù)性強(qiáng)，碳纖維體積含量高，纖維鋪層均勻，經(jīng)過后續(xù)化學(xué)氣相沉積致密工藝后，產(chǎn)品在熱場中的穩(wěn)定強(qiáng)度和耐熱震性能更高，提高使用壽命，減少更換率。
以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非對本發(fā)明作任何限制。凡是根據(jù)發(fā)明技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍內(nèi)。