专利名称：预氧化丝长纤维/预氧化丝网胎复合针刺预制体及制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种复合针刺预制体，高性能复合针刺预制体是经现代化的化学高温、 高压力、各项碳/碳沉积工艺处理后，具有耐高温、耐摩擦、质地轻等特性，是现代化 发展公认的高科新材，航空航天重要结构件的新型制品。本发明尤其涉及由PAN预氧化 丝长纤维与预氧化丝网胎制成的复合针刺预制体，此外，本发明还涉及该复合针刺预制 体的制备方法。
背景技术：
复合针刺预制体，经现代化的化学高温、高压力、各项碳/碳沉积工艺处理后，具 有耐高温、耐摩擦、质地轻等特性，是现代化发展公认的高科新材，是航空航天重要结 构件的新型制品。
复合针刺预制体的原有工艺是采用聚丙烯腈基碳纤维长纤维与短纤维网胎经多层 针刺制成立体预制体。工艺步骤主要包括1.将长为50-60mm的短纤维梳理成厚为 l-2ram、面密度为40-600g/m2的网胎；2.将网胎铺设成面层；3.将网胎与碳纤维长纤 维逐层针刺构成立体预制体。
上述为原有工艺生产碳纤维预制体的过程，其中采用的纤维是经过碳化工艺的纤维， 其制品在后续沉积工艺中需重新经过高温、碳化等一系列的重复处理，需额外消耗大量 的人力、物力，使生产成本比国外市场要高30%以上，并且使生产周期大大延长，无论 是生产成本还是生产效率都无法与国外产品相竞争。
发明内容
本发明为了克服上述的技术不足，提供一种PAN预氧化丝长纤维与预氧化丝网胎结 合制成的复合针刺预制体，该复合针刺预制体将纤维的乱层结构变为三维有序的结构， 使模量、强度大幅度提高，且制造成本大幅下降，此外，本发明还涉及该复合针刺预制 体的制备方法。
本发明所述的一种预氧化丝长纤维/预氧化丝网胎复合针刺预制体，为分层复合材 料，各层为预氧化丝长纤维和预氧化丝网胎制成的单层复合料，该单层复合料由预氧化 丝无纬长纤维排列在预氧化丝网胎上行成径向纤维经连续针制而成，多个的单层复合料 再经针刺形成复合针刺预制体。上述网胎厚度为0. 3-0. 6mm，连续预氧化丝无纬长纤维/网胎结合层为1. 2-1. 5mm。 针刺密度是40-50针/cm3。
上述预氧化丝长纤维/预氧化丝网胎复合针刺预制体的制备方法，包括以下步骤
1) 由预氧化丝无纬长纤维切制成长度为50-100mm，面密度60-200g/i^的短纤维， 喷洒水分使短纤维保持3 5%湿度，之后放入烘箱内加热到30度，保温28-30小时， 取出短纤维后经开松机开松形成分离物料，再将分离后的短纤维铺设成网胎，网胎的表 面密度为54-206g/m2，网胎厚度为0. 3-0. 8mm;
2) 将PAN预氧化长纤维在网胎上排列成径向纤维进行针刺形成单层复合料，其中 的长纤维含量为70-87%，短纤维网胎含量30%-13%，长纤维厚度为0. 6-0. 9mm，面密度 256g-348g/cm2，体积密度为0. 5-0. 65g/cm3，针刺密度为40-50针/m3;
3) 以步骤2)制备的单层复合料为基本单元，经多角度逐层交叉连续针刺形成复合 针刺预制体，层间密度控制在18±2层/cm，预刺密度为36-40针/cm3，进针深度为 16-20ram。
本发明采用PAN预氧化丝无纬长纤维与预氧化丝网胎制备高性能复合针刺预制 体，而PAN预氧化丝无讳长纤维未经过碳化工艺，是碳纤维的前身材料。使用这两种材 料生产的高性能复合针刺预制体比原工艺所需的材料成本节约30%左右，实现了后续产 品经过现代化碳/碳化与沉积三合一 (高温、碳化、沉积)的工艺制成立体预制体成为 可能。不但节约了人力、物力，而且大大縮减了生产周期。
本发明不仅在原材料上得到了更新，在生产工艺上更是得到了提高。为克服原生 产工艺技术上的不足，采用自动化机械设备开松与梳理纤维的结构综合面层，并分散在 设备表面层(纤维不能用任何化学处理剂，否则要影响制品的后续质量指标，采用多角 度逐层交叉针刺，实现纤维结构的动态印对，使纤维的乱层结构变为三维有序的结构， 制成的纤维网胎有360度的平面乱层次断面结构，大幅度提高了后续碳化工艺后产品的 模量和强度。
本发明采用预氧化丝网胎有益于提高预制体层间结构的强度。通过交叉针刺使预 制体上下层一体化，确保碳/碳化、沉积工艺中渗碳率高，结构均匀。PAN预氧化丝无纬 长纤维/预氧化丝网胎复合预制体与全用碳纤维制成预制体相比，因全用碳纤维的预制 体是沉积工艺过程中前面碳化材料，在后续沉积工艺中需经过高温、碳化、沉积等重复 处理工艺，需要大量的电力资源与物力、人力投入，这样加重产品的成本，再加碳纤维原料价格是PAN预氧化纤维丝的3倍左右，在现代高科技沉积工艺制成的成品降低了成 本30%左右。在保证质量的前题下，价格上与国外的同类产品具有竞争力。
具体实施例方式
本发明所述的一种复合针刺预制体，为分层复合材料，各层材料分别为网胎和连续 预氧化丝无讳长纤维层， 一层网胎和一层连续预氧化丝无纬长纤维层针刺形成连续预氧 化丝无讳长纤维/网胎结合层，多个的连续预氧化丝无纬长纤维/网胎结合层针刺形成复 合针刺预制体。网胎厚度为0.42-0.8mra，连续预氧化丝无纬长纤维/网胎结合层^ 1.2-1.5ram。针刺密度是40-45针/cm3。
其工艺步骤是1)由预氧化丝无纬长纤维切制成长度为50-100mm,面密度 60-200g/tf的短纤维，喷洒水分使短纤维保持3 5%湿度，之后放入烘箱内加热到30 度，保温28-30小时，取出短纤维后经开松机开松形成分离物料，再将分离后的短纤维 铺设成网胎，网胎的表面密度为54-206g/m2,网胎厚度为0. 3-0. 6mm;;
2) 将PAN预氧化长纤维在网胎上排列成径向纤维进行针刺形成单层复合料，其中 的长纤维含量为70-87%，短纤维网胎含量30%-13%，长纤维厚度为0. 6-0. 9mm，面密度 256g-348g/cm2,体积密度为0. 5-0. 65g/cm3,针刺密度为40-50针/m3;
3) 以步骤2)制备的单层复合料为基本单元，经多角度逐层交叉连续针刺形成复合 针刺预制体，层间密度控制在18±2层/cm，预刺密度为36-40针/cm3,进针深度为 16-20誦。
在针刺过程中层次越多预制体就越牢固，制品质量也就越高。
本发明中连续预氧化丝无纬长纤维/网胎结合单层复合料，按发明工艺要每立方厘 米40-45针/cm3，以达到防止长纤维与网胎之间不出现分层，保证预制体层与层之间的 结合力度，有利于提高产品质量。长纤维/网胎单层复合料与预制体制作中以多角度工 艺方向针刺，按预制体总高度计算组合预制体的尺寸。预氧化丝无纬长纤维与预氧化丝 网胎各自所占比例分别为长纤维占总量的70%-90%;短纤维网胎占总量的30%-10%。
因预氧化丝无讳长纤维在后续沉积工艺中有30%左右会收縮成碳/碳纤维，所以预 氧化丝无纬长纤维的含量要求高一些，但具体数值要根据产品功能来决定。如用于高级 磨合材料，为符合其低密度、高渗碳量和高强度的要求，则长纤维含量要少一些。
预氧化丝网胎预制体与加预氧化无纬长纤维制成的针剌预制体密度0.4g/cm3。网 胎制成的预制体体积结构均匀性好，纤维内结构平面剪力均匀，是高要求工业上隔热、
5防幅射、耐高温、高强度的优良复合材料。
髙密度的主体预制体用于航空航天等领域的高要求零部件复合材料，预氧化丝长 纤维含量比短纤维含量比例要高20%-30%，以满足体积密度更高的要求。
每层间密度15±1层/cm,但预氧化无纬长纤维面密度180g/m2，在此工艺中得体积 密度为0.42g/cm3，用于低密度复合材料，用于耐高温、耐磨合、耐疲劳、导电、导热、 耐腐蚀、质量轻等特性，工业高要求零部复合碳/碳材料。
以上各种形状预制体的形成结合工艺要求按设计预制体的预刺要求；如体积长X 宽X高及异形的预制体厚度。在发明论证中实践了以上的PAN预氧化丝无纬长纤维/预 氧化丝网胎相结合，经多角度逐层交叉针刺制成的复合立体预制体，为后续三合一的沉 积工艺提供了基础保证。该预制体经沉积后得到的成品含碳量高，内部结构均匀一体化， 不分层，同时拥有高模量、高强度，且耐磨、耐高温、耐疲劳，导电导热性熊优越。
以下结合具体实例，进一步说明本发明在实际中的应用，对工艺过程和参数设定 作具体阐述。
实例1: PAN预氧化丝无纬长纤维与预氧化丝网胎通过自动化机械处理成短纤维， 纤维长50-100咖，在湿度为3 5%的烘箱内加热到30度，经24小时后纤维的性能就 能得到改善。在这过程中不能掺和任何化学成份与杂物，否则要影响后续制品的质量。 自动化设备的运用和纤维性能的改变决定了纤维与网胎的结合质量，使短纤维密度形成 分离物料，(因短纤维不能受损否则要影响后续制品)在分离状态使纤维自动转移到自 动控制克重/厚度，利用机械自动铺设成网胎，表面密度为60-200g/m2，该制品是连续预 氧化丝无讳长纤维与预氧化丝网胎单层复合料，通过PAN预氧化长纤维排列成径向无纬 纤维连续针制而成单层复合料，长纤维含量为85%，面密度325g/m2，层间密度控制在18 土2层/cm,针刺密度为40针/cm3，进针深度为16mm，短纤维网胎厚度为0. 3mm,长纤维 厚度为0. 6mm,体积密度为6. 7±3g/cm3，该制品是构成PAN预氧化纤维丝/预氧化丝网胎 复合立体预制体已进入了现代化改革的沉积新工艺，缩短了三合一的时间，节省了成本， 具有质量轻，耐高温等高性能，该预制体适用于航空航天零部件碳/碳复合材料制品。
实例2:按上述工艺方法组合的网胎面密度为54g/m2，预氧化长纤维面密度为 306g/m2，按预氧化丝无纬径向长纤维按与网胎层针刺复合后进行逐层与平面交替角度 (60°-120°_240°)针刺结合，按工艺要求针刺密度40针/cm3，针刺深度为16mm,按以上工 艺要求逐层平面多角度针刺层间密度16层/cm，短纤维网胎层厚为0. 4mm，无纬径向长纤维厚度0. 8mm,等于体积密度0. 576g/cm3 ，短纤维网胎层比20%的立体预制体。该预制 体经现代化沉积工艺制成耐高温、高磨合、等高性能优点，比原市场产品大大降低了成 本。可用于刹车制动盘等高要求结构件。
实例3:按上述工艺论证的工艺组合，网胎层面密度为90g/cm2，预氧化纵向长纤维 面密度256 g/cm2，按工艺径向长纤维与网胎层针刺复合后进行逐层平面多角度 (60°-120°-240°)针刺结合，按工艺要求针刺密度40针/cm，层间密度为14层/cm，短 纤维网胎层为0. 8/醒，无纬径向长纤维厚度为1. Omm等于体积密度0. 5g/cm3，短纤维网 胎层比例为30%的立体预制体。该预制体经过高科技的沉积工艺制成的制品，可用于耐 磨、耐疲劳、导电、导热等特性的工业高要求零部件材料
实例5:按上述工艺论证的工艺组合，网胎层面密度为206 g/cm2，层间密度17层/ cm (不加长纤维)在平面逐层针刺结合，针刺密度51针/cm，网胎层厚度为1.5mm，构成体 积密度为0. 35g/cra3的立体预制体，该预制体经现代化沉积工艺制成的制品具有抗辐射、 隔热、耐高温等性能，可用于冶炼工业高温炉、医疗器材、防隔热层材料、抗辐射零部 件材料。
权利要求
1、一种预氧化丝长纤维/预氧化丝网胎复合针刺预制体，为分层复合材料，其特征是各层为预氧化丝长纤维和预氧化丝网胎制成的单层复合料，该单层复合料由预氧化丝无纬长纤维排列在预氧化丝网胎上行成径向纤维经连续针制而成，多个单层复合料再经针刺形成复合针刺预制体。
2、 根据权利要求1所述的预氧化丝长纤维/预氧化丝网胎复合针刺预制体， 其特征是网胎厚度为0.42-0.8mm，连续预氧化丝无纬长纤维/预氧化丝网胎结合 层为1.2-1. 5陽，层间密度为14士l层/cm。
3、 根据权利要求1或2所述的复合针刺预制体，其特征是针刺密度是40-45 针/cm3。
4、 一种预氧化丝长纤维/预氧化丝网胎复合针刺预制体的制备方法，其特征 在于包括以下步骤1) 由预氧化丝无纬长纤维切制成长度为50-100誦，面密度60-200g/m2的短纤 维，喷洒水分使短纤维保持3 5%湿度，之后放入烘箱内加热到30度，保温28-30 小时，取出短纤维后经开松机开松形成分离物料，再将分离后的短纤维铺设成网 胎，网胎的表面密度为54-206g/m2,网胎厚度为0. 3-0. 8誦；；2) 将PAN预氧化长纤维在网胎上排列成径向纤维进行针刺形成单层复合料， 其中的长纤维含量为70-87%，短纤维网胎含量30%-13%，长纤维厚度为0. 6-0. 9mm， 面密度256g-348g/cm2，体积密度为0. 5-0. 65g/cm3，针刺密度为40-50针/m3;3) 以步骤2)制备的单层复合料为基本单元，经多角度逐层交叉连续针刺形成 复合针刺预制体，层间密度控制在18±2层/cm，预刺密度为36-40针/cm3，进针深 度为16-20mm。
全文摘要
本发明公开了一种预氧化丝长纤维/预氧化丝网胎复合针刺预制体及其制备方法，针刺预制体为分层复合材料，各层为预氧化丝长纤维和预氧化丝网胎制成的单层复合料，该单层复合料由预氧化丝无纬长纤维排列在预氧化丝网胎上行成径向纤维经连续针制而成，多个单层复合料再经针刺形成复合针刺预制体。采用本发明生产的制品经现代化高科技碳/碳沉积工艺得到的产品含碳量高、不分层、具有耐磨合性能强、耐高温、抗幅射、抗腐蚀、质量轻等优良性能，并且大大降低了生产时间与制作成本。高性能纤维制品是新兴的功能性结构产品，其独特的性能和先进的生产工艺决定了碳纤维产品在航空、航天、土木建筑、体育医疗、电子通讯等领域中的广阔应用前景。
文档编号D04H5/02GK101503843SQ20091002490
公开日2009年8月12日 申请日期2009年3月2日 优先权日2009年3月2日
发明者缪伯承 申请人:宜兴市飞舟高新科技材料有限公司