一种可针刺无纺织物及准三维预制件制造技术

本发明专利技术涉及一种由聚丙烯腈基碳纤维预制薄层无纺织物及编织布，以及经多重交替叠层针刺形成的准三维预制件，克服了已有采用以长条ＯＰＦ编织布为主叠层针刺预制件的缺陷。预制件层间结合力强，体积密度均匀，整体稳定不变形，不分层，并可直接进入ＣＶＤ工艺，大大缩短了碳／碳复合材料制作工期，收缩小，可渗透性好、沉积碳多，制得的碳／碳复合材料具有耐摩擦、磨损小，导热性及抗热震性好，剪切强度高，离散系数低，特别适用飞机刹车盘或耐烧蚀碳／碳复合材料等纤维基体材料。（*该技术在2022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】
本专利技术涉及一种由功能纤维叠层针刺预制件，尤其是由聚丙烯腈基碳纤维制成的可针刺无纺织物及准三维预制件。特别适用于随后直接沉积碳被加工成碳/碳结构材料，例如飞机刹车盘或耐烧蚀碳/碳复合材料等纤维基体材料。
技术介绍
功能纤维叠层经针刺形成的预制件，由于其特殊的高温力学及热学性能，高的高温强度、耐磨损和耐高温烧蚀特性，被公认是优良的航空器刹车盘、火箭发动机喷管喉衬用结构材料。中国专利96121709公开了一种由碳纤维前体聚丙烯腈基预氧纤维(OPF)，多重叠层针刺形成的准三维预制件，面层采用层厚8-13mm、由25mm或以下短纤维经气流成网得到面密度为800g/m2的纤维网，中间层为层厚3mm，由三层OPF纤维交向搭接轻度针刺成的长纤维层，上下相邻层旋转60度叠放，经逐层针刺而成。然而由OPF纤维叠层针刺得到的预制件，首先必须碳化，使纤维变为碳纤维(CF)，然而整体预制件碳化可控性差、难度大，不仅容易发生纤维蠕动产生应力变化，造成预制件层间变形，整体收缩性大；而且内部纤维碳化不易均匀，整体密度均匀性差，强度低，CVD沉积难度大，影响后续产品质量。并且中间层均为长纤维结构，其连接各层的Z向纤维则通过针刺在长纤维层中产生，造成长纤维损伤，而长纤维损伤将影响预制件层面方向的抗拉强度。中国专利95191073公开的另一种预制件，采用叠加厚度基本恒定的纤维层，以获得体积纤维整体恒定、Z向体积纤维率恒定和层厚恒定的均匀结构。但并未指明各层纤维结构，并且也是由碳纤维前体聚丙烯腈基预氧纤维制备。然而有研究表明，当纤维层是由长或连续单丝制成时，连接各层的Z向纤维较难达到永久性转移，并且纤维长度、纤维卷曲、纤维表面光洁度等也会影响纤维永久性转移。显然叠层的纤维及叠层结构不同，针刺所形成的预制件性能会有较大差异。专利技术技术本专利技术目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种直接由聚丙烯腈基碳纤维制成，且有利针刺形成永久转移的Z向纤维，易于后续CVD沉积的可针刺无纺织物。本专利技术的另一目的在于提供一种含上述无纺织物，有利于得到层间剪切强度高，抗脱层好，可直接进入CVD，且CVD过程中整体稳定不变形，易渗碳易沉积，可得到高致密度，整体均匀的准三维预制件。本专利技术第一目的实现，其特征是由短切聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)，经蒸汽或化学柔性处理、机械松散、疏理、针刺成面密度为40-120克/米2的薄层无纺织物。本专利技术无纺织物，经蒸汽或化学改性处理(如用抗静电整理剂及柔软剂处理)后，使得碳纤维变得柔软，去除静电，表面毛糙度明显提高，有利于增强纤维抱和力，使之适于成网，且可针刺性好，易于后续针刺得到永久转移的Z向纤维。为有利机械松散及疏理成网，本专利技术CF纤维长度较好切成50-100mm。为有利于与随后复配的长纤维层结构配比，及获得更好的层间密度，本专利技术无纺织物面密度最好为80-120克/米2。本专利技术第二目的实现，主要改进采用上述无纺织物与PANCF纤维单层编织布交替叠合，经逐层针刺得到具有准三维结构的预制件。本专利技术为有利针刺形成较多层间连接的Z向纤维，增强预制件层间接合力，所说叠层优选采用无纺织物与纤维编织布逐层交替，交替叠层又以不等厚为好，其中以纤维编织布层厚大于无纺织物层厚为优，有利于得到较高的编织布重量比，无纺织物层厚以0.1-0.4mm为好(针刺后层厚)，纤维编织布层厚以0.3-0.8mm为好(针刺后层厚)。本专利技术预制件为有效防止预制件面层纤维向两边松散，两面层最好采用无纺织物封面。本专利技术预制件纤维编织布叠层添加较好采用旋转交错铺设，有利于均衡预制件平面方向强度。本专利技术预制件纤维编织布尤以采用无纬布，有利于Z向纤维转移，提高预制件Z向强度。本专利技术预制件为有利增强预制件整体强度，预制件中最好使纤维编织布体积重量大于无纺织物，其中尤以纤维编织布体积重量百分比65-90％为优，视产品要求而定，如用于烧蚀用碳/碳复合材料，纤维编织布体积重量比可适当低一些；用于碳/碳复合摩擦材料，纤维编织布体积重量应高一些。本专利技术预制件无纺织物面密度较好为40-120克/cm2，用于烧蚀用碳/碳复合材料，面密度宜高一些；用于碳/碳复合摩擦材料，面密度宜低一些；本专利技术预制件纤维编织布面密度较好为70-360克/cm2，用于烧蚀用碳/碳复合材料，面密度宜低一些；用于碳/碳复合摩擦材料，面密度宜高一些；本专利技术预制件层间密度较好为12-20层/cm，用于烧蚀用碳/碳复合材料，层间密度可以低一些；用于碳/碳复合摩擦材料，层间密度应高一些；本专利技术预制件体积密度较好为0.4-0.8克/cm3，用于烧蚀用碳/碳复合材料，体积密度可以低一些；用于碳/碳复合摩擦材料，体积密度应高一些。本专利技术逐层针刺方法，可按通常针刺方式，如以相同针刺步长逐层针刺至所需厚度，无特别要求。本专利技术由于直接采用聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)，以及分别制成无纺织物和编织布，逐层交替叠合针刺得到的预制件，不仅使预制件可直接进入CVD工艺，大大缩短了碳/碳复合材料制作工期，而且在CVD过程中众多的无纺织物层更能沉积较多的碳，且能渗透至每一个层面。相间铺设无纺织物更有利于针刺形成层间连接的Z向纤维束，且永久转移性好，预制件层间结合力强，不易分层。编织无纬布，更有利于Z向纤维转移，提高预制件Z向强度，有效防止在高温渗碳过程中应力变化造成纤维层分层，预制件整体稳定，不易变形。本专利技术制得的准三维预制件，具有体积密度均匀，性能稳定，整体收缩性小节省材料，降低成本，易渗碳易沉积，制得的碳/碳复合材料具有耐摩擦、磨损小，导热性及抗热震性好，剪切强度高，离散系数低，特别适用于制造高性能的飞机刹车盘及耐高温耐烧蚀件。本专利技术碳纤维无纺织物，克服了长期以来人们较难采用碳纤维直接制造无纺织物的技术难题，可针刺性好，有利于针刺形成永久转移的Z向纤维，特别适用于针刺预制件的制造，可大大提高预制件性能。以下结合几个具体实施例，进一步说明本专利技术，但实施例不应理解为对本专利技术的具体限定。具体实施例方式实施例1将聚丙烯腈基碳纤维切成长度为60mm短纤维，用纺织抗静电剂十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐(SN)喷湿表面，放入密闭容器中密封存放22小时左右，使其软化改性，取出经纺织开松机开松呈90％松散度絮状纤维绒，然后由疏理机疏理成超薄网，通过控制机械行程及频率往复铺设，经针刺定型制得面密度为50克/米2的薄层无纺织物备用。将聚丙烯腈基碳纤维通过编织机编成面密度为200克/米2有纬布。将无纺织物与有纬布逐层交替旋转铺设，并使上下面层为无纺织物，按针刺密度25针/cm2，针刺深度为14mm逐层针刺，控制层间密度18层/cm，无纺织物及有纬布层厚分别为0.17mm、0.39mm，得体积密度为0.45克/cm3，长纤维含量为79％的准三维预制件。此预制件较适用于碳/碳复合摩擦材料。实施例2将聚丙烯腈基碳纤维切成长度为75mm短纤维，将短纤维置入温室为80℃蒸汽房内，用水蒸汽喷湿，保温密闭5小时左右，使其软化改性，取出经纺织开松机开松呈90％松散度絮状纤维绒，然后由疏理机疏理成超薄网，通过控制机械行程及频率往复铺设，经针刺定型制得面密度为80克/米2的薄层无纺织物备用。将聚丙烯腈基碳纤维通过编织机编成面密度为240克/米2无纬布。将无纺织物与无纬布逐本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可针刺无纺织物，其特征是由短切聚丙烯腈基碳纤维，经蒸汽或化学改性处理、机械松散、疏理、针刺成面密度为４０－１２０克／米↑［２］的薄层无纺织物。

【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：缪云良，
申请(专利权)人：宜兴市天鸟高新技术有限公司，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]