具有极向机织基材的近网状针刺碳预制品及其制造方法技术

本发明专利技术提供近网状碳预制品，它包括许多碳纱线的机织物，所述机织物具有螺旋形状和可调节的纤维定向分布，所述机织物依次铺置，形成近网状预制品，对所述织物的每层都进行针刺，制成层间强度有所增强、纤维定向分布可调节的近网状预制品。本发明专利技术也揭示了制造具有极向机织基材的近网状碳预制品的方法。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术的背景本专利技术总的来说涉及碳基材和采用该基材的预制品的制造方法，具体地说，涉及极向机织物针刺基材和采用该基材生产摩擦盘的碳预制品的制造方法。用于飞机或汽车的制动盘要求耐热—机械性能高的和耐磨的材料。就某些应用而言，由于石棉具有耐热性能，所以可使用石棉。尽管常规的碳制动器产品成本高，而且历史上的应用仅限于航空或赛车，但除了石棉，由于碳具有优良的耐热性能，也可以使用碳。通常，碳纤维基材或碳的前体可以用来制造常规的碳/碳零件，该零件具有足够高的耐热值，可用于例如飞机制动体系，这些常规的零件需要复杂的耗时工艺来制造碳含量足够高以提供必要的耐高温性能的零件。这些常规的碳/碳零件由于制造工艺复杂，所以成本高。就用于制造常规碳零件的基材而言，有许多不同的类型，包括非连续性碳纤维模塑复合、气流成网碳纤维无纺布基材、机织碳纤维基材、或编织碳纤维基材。为了由碳纤维基材制造常规的碳零件，使用许多碳纤维前体例如聚丙烯腈(PAN)纤维层。这些基材是片材，必须切成特定形状例如制动盘，由于基材通常是不能回收的，所以会浪费一部分基材。这些基材可以彼此叠压，达到所要求的厚度，叠起来的基材可以由针刺结合起来，或在基材层之间掺杂碳纤维使基材彼此固结起来。该基材固结成预制品。接着，预制品可以分批进行碳化，将预制品置于800-1100℃的烘箱内，使基材的纤维烧焦，提高预制品的碳含量。接着这些预制品可以通过采用化学蒸汽浸渗(CVI)工序，将碳原子沉积在预制品的碳纤维上，使之具有额外的碳原子。在CVI工序中，将预制品置于一个室内，脱除室内空气，将含碳气体例如甲烷引入室内，当经受一定温度时，会释放碳原子并固定/浸渗入预制品。CVI工序可以提高碳的含量和预制品的密度。接着，预制品可以进行热处理使碳原子重新定向为能量更高的有利构型，以改善例如物理性能和机械性能，再用抗氧剂进行处理，以形成成品碳零件。如上所述，常规的预制品成形工艺和常规的碳零件存在几个问题。分批碳化的工艺慢，而且耗时，需要数小时或数天，这增加了零件的成本。由于进行碳化所必需的炉子不能用于其他用途，所以这些炉子又增加成本。另外，在模子裁切和成形加工期间，自预制品裁掉的任何材料通常都不能重复使用，这是因为没有合适的方法将这些碎屑材料再循环用于预成形制造工序中。因此，由于存在上述问题，常规的预制品制造碳零件成本过高而不能用于大多数商业用途。编织是另一种常规的试图降低每件预制品产生的废料的方法。管状编织物可以坍缩形成平板类型，平板可螺旋地卷绕以形成废料有所减少的盘状预制品，这是由于盘不是自片材裁切下来。采用此方法时，纤维在预制品内的分布是不均匀的。另一种常规的碳纤维基材是使用合适粘合剂浸渍，浸渍过的基材可以在热和压力下压成近网状的预制品。接着，通过粘合剂凝缩成碳，将预制品分批碳化，使粘合剂烧焦形成碳。粘合剂可以是由马来酸酐催化的液态糠醇聚合物。该基材需要分批碳化的工艺步骤，将粘合剂烧焦。另一种用碳纤维制备碳零件的基材，是将氧化的聚丙烯腈(PAN)纤维经碳化，形成可以实施化学蒸汽浸渗(CVI)工艺的碳预制品。该基材也需要碳化步骤。这些用来制造碳零件的常规材料，需要分批碳化的步骤，该步骤慢，增加了最终零件的成本，而且需要昂贵的碳化炉。没有任何一种常规材料可以在整个预制品上提供可控制的、均匀的、一致的纤维取向分布。常规预制品也浪费基材，增加预制品成本。由于存在这些缺陷，所以常规预制品制成的是成本太高而不能用于大多数商业用途的碳零件，而且不能提供足够均匀的纤维分布。因此，目前需要有一种对由极向机织基材制成的预制品、采用可避免已知基材、工艺和碳预制品的这些和其他问题的基材制造碳预制品的方法，这正是本专利技术的目的。专利技术的概述本专利技术提供由极向机织基材制造的预制品，该基材可制备具有几方面优点的近网状碳预制品。将预制品修整成盘形状有关的基材用量，可以通过制成不需修整的近网状极向机织基材而下降。另外，用碳纤维形成预制品，减免了耗时和昂贵的碳化步骤。极向机织基材具有一定的纤维取向度和定位，当与合适的针刺工艺参数结合，就可制成在整个预制品内纤维均匀分布的预制品，这可以用于摩擦盘例如飞机制动器。本专利技术还提供具有一对可机织在一起的垂直定向碳纱线的极向机织基材。许多碳纤维可以与纱线缠绕，这样就可以制得带有缠绕的碳纤维的织物。此织物可以是极向机织物，使得织物可以具有螺旋形状，而且可以通过铺置螺旋状的极向机织物层制成近网状盘预制品。根据所要求的预制品的性能，可以使用不同的机织图案。另外，不同梯度的纱线可织进织物中，在整个预制品体积内纤维可均匀分布，形成均相预制品。极向机织物可以绕成可针刺以增强预制品结合力、复合物的层间强度和预制品密度的盘状预制品。可以调节针刺参数以改变预制品乃至复合物的性能。因此，根据本专利技术，提供包含带有许多碳纱线的机织物的近网状碳预制品，该机织物呈螺旋形状，并具有可调节的纤维取向分布，该机织物依序盘绕铺置成近网状预制品，对该织物的每层都进行针刺，以制成纤维取向分布可调节的近网状预制品。也揭示了制造带有极向机织基材的近网状碳预制品的方法。附图的简要说明附图说明图1根据本专利技术采用极向机织基材制造近网状碳零件的方法的流程说明图；图2根据本专利技术制造极向机织基材的工艺图；图3A基本的机织图案的说明图；图3B和3C从织物反面所看到的斜纹机织图案的说明图；图3D和3E从织物反面所看到的缎纹机织图案的说明图；图4带有末端具有细微梯度结构的经纱，并可以根据本专利技术用来制造极向机织预制品的极向机织基材的说明图；图5带有梯度结构的纬纱，并可以根据本专利技术用来制造极向机织预制品的极向机织基材的说明图；图6根据本专利技术固结极向机织物基材以形成预制品的方法的说明图；图7按本专利技术固结的预制品的剖面图。优选实施方式的详细说明本专利技术尤其适用于用极向机织基材生产用于制造摩擦盘的碳预制品。本文将描述本专利技术。然而，通过本专利技术将会认识到本专利技术的基材、预制品和方法还具有更大的实用性。图1是根据本专利技术采用极向机织碳纤维基材制造碳预制品的方法20的流程图。首先，可以在步骤22中确定要制造的具体预制品的各种设计标准，并可以选择各工艺步骤合适的标准和参数，以满足设计标准的要求。例如，如下所述对极向机织预制品的性能进行改进，制成性能略微不同的预制品，可以改进针刺参数，或改进所选择的用以制成极向机织物的纱线。接着，在步骤24中，可以如下所述参照图2-6，制造极向机织基材。极向机织基材可以由碳纤维形成，这样实际预制品可不需要碳化，因为碳纤维已经预先碳化过。极向机织基材可以包含许多碳纤维、碳纤维前体，例如PAN纤维、陶瓷纤维或碳化度不同的碳纤维。按本专利技术，可以采用几种不同类型的含有碳纤维的碳纱线制造极向机织预制品。第一种碳纱线含有彼此基本平行的略微加拈的连续碳纤维长丝。另一种碳纱线含有许多非连续纤维。非连续纤维可以通过将连续纤维长丝拉断成碳的碎片，并使碳的碎片由短效材料固定在一起而形成，但它们受热后会从预制品上脱落。短效材料可以是聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯或聚酯。接着，这些碳纱线可以如下所述通过机织成极向机织物，再用来制成极向机织近网状预制品。短效材料可以在CVI致密化步骤期间除去。一旦制成近网状极向机织基材，在步骤26中，极向机织基材可以呈螺旋状铺置以形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
针刺近网状碳预制品，它包含含有许多碳纱线的机织物，所述机织物具有螺旋形状和可调节的纤维定向分布，所述机织物依次铺置，形成近网状预制品，对所述织物的每层都进行针刺以制成层间强度有所增强、纤维定向分布可调节的近网状预制品。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：S克拉克，D蓬索勒，
申请(专利权)人：CYTEC技术有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]