一种z向高强度预氧丝厚毡的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，该方法为：一、将短切预氧丝铺成网胎，裁剪网胎，将一张裁剪后的网胎铺设于泡沫垫层上并置于针刺机的针刺平台上进行针刺；二、水平转动90°，然后再铺设一张裁剪后的网胎进行针刺；三、按照步骤二的方法反复铺设网胎和针刺，去除泡沫垫层后，得到预氧丝坯体；四、翻转180°后置于针刺机的针刺平台上，铺设一张裁剪后的网胎，然后水平转动90°进行针刺，最后按照步骤二的方法反复铺设网胎和针刺四次；五、重复步骤四直至得到厚度为100mm～650mm的高强度预氧丝厚毡。本发明采用两面交替转向叠层针刺成型，最大限度地消除了针刺过程中的变形效应，保证了产品力学性能的均一性。
【专利说明】—种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于碳纤维毡制备【技术领域】，具体涉及一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法。
【背景技术】
[0002]碳/碳复合材料由于质轻、高强、抗热震性好、耐烧蚀性能优异等突出特点，自问世以来，广泛应用于火箭发动机喉衬、导弹端头帽、再入飞行器鼻锥等航空航天领域。碳/碳复合材料具有摩擦特性好、耐高温、吸热能力高等特点，作为飞机刹车装置得到了大量应用。另外，碳/碳复合材料具有导热系数小、热容量低、线膨胀系数小、耐高温等特点，在大型高温多晶硅氢化炉、单晶硅拉制炉热场材料方面也得到广泛的应用。
[0003]预氧丝毡经过后续高温碳化、沉积工艺处理成为碳毡。目前航天领域使用这种碳毡制作耐烧蚀抗冲刷的部件，因而要求作为前驱体的预氧丝毡必须具备良好的Z向抗拉强度(即层间结合力)和较大的厚度，Z向抗拉强度一般大于20kPa，厚度一般大于200mm。
[0004]目前，有关预氧丝厚毡的制备方法只有2个中国专利，一个是一种整体结构保温碳毡的制备(200910265237.1)中，但并未给出详细的制备方法；而另一个是一种制备预氧丝厚毡的方法及设备(201110311595.9)，提到了制备预氧丝厚毡的具体方法，即通过对薄预氧丝坯体进行叠层针刺，最终得到厚度为不超过50mm的预氧丝厚毡。该种制备方法存在诸多不足之处:所制产品厚度较小。制作厚度10mm以上产品时，由于产品在累积针刺过程中容易变形，影响了产品力学性能的均一性，易导致Z向抗拉强度不足。单靠加大刺深和针刺密度，不仅会降低产品X-Y向抗拉强度，也无法消除Z向抗拉强度不足的缺陷。这两者都使得预氧丝厚毡的综合力学性能劣化。产品厚度受限和Z向抗拉强度不足都限制了预氧毡在航空航天等领域的拓展应用。
【发明内容】
[0005]本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法。该方法采用两面交替转向叠层针刺成型，最大限度地消除了针刺过程中的变形效应，保证了产品力学性能的均一性，在不降低产品X-Y向抗拉强度的前提下，能够有效改善产品Z向抗拉强度，使得产品具有优良的综合力学性能，并极大地提高了产品的最终厚度；通过对针刺工艺的细化研究，掌握了针刺工艺参数对产品综合力学性能的影响，从而通过调整针刺工艺参数，获得Z向高强度预氧丝厚毡，满足航空航天领域的应用要求。采用该方法在显著提高产品最终厚度的同时，明显改善了产品力学性能的均一性，制备的预氧丝厚租的厚度可达10mm?650mm, X-Y向抗拉强度不小于1.9MPa, Z向抗拉强度不小于20kPa，拓宽了预氧丝厚毡在航空航天领域的应用。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是:一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:
[0007]步骤一、将短切预氧丝铺成网胎，按照针刺机的尺寸裁剪网胎，将一张裁剪后的网胎铺设于泡沫垫层上，再将铺设有网胎的泡沫垫层置于针刺机的针刺平台上，启动针刺机进行针刺；
[0008]步骤二、将步骤一中针刺后的网胎水平转动90°，然后在针刺后的网胎上铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，同时针刺平台下降1_?1.7_，启动针刺机进行针刺；
[0009]步骤三、按照步骤二的方法反复铺设网胎和针刺，去除泡沫垫层后，得到厚度为40mm?50mm的预氧丝还体；
[0010]步骤四、将步骤三中所述预氧丝坯体翻转180°后置于针刺机的针刺平台上，向翻转后的预氧丝坯体上铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，然后将铺设网胎后的预氧丝坯体水平转动90°，同时针刺平台下降Imm?1.7mm，启动针刺机进行针刺，再按照步骤二的方法对针刺后的预氧丝坯体进行四次铺设网胎和针刺；
[0011]步骤五、按照步骤四的方法对进行四次铺设网胎和针刺后的预氧丝坯体进行铺设网胎和针刺，直至得到厚度为10mm?650mm，Z向抗拉强度不小于20kPa的高强度预氧丝厚毡。
[0012]上述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，步骤一中所述短切预氧丝的长度为50mm?80mm,短切预氧丝的抗拉强度不小于2MPa。
[0013]上述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，步骤一中所述网胎的面密度为250g/m2 ?450g/m2。
[0014]上述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，步骤一中所述针刺的密度为28针/cm2 ?33 针 /cm2。
[0015]上述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，步骤二中所述针刺的密度为28针/cm2 ?33 针 /cm2。
[0016]上述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，步骤二中针刺平台下降1.2mm?1.Smnin
[0017]上述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，步骤四中所述针刺的密度为28针/cm2 ?33 针 /cm2。
[0018]上述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，步骤四中针刺平台下降1.2mm?1.Smnin
[0019]本发明与现有技术相比具有以下优点:
[0020]1、本发明采用两面交替转向叠层针刺成型，最大限度地消除了针刺过程中的变形效应，保证了产品力学性能的均一性，在不降低产品X-Y向抗拉强度的前提下，能够有效改善产品Z向抗拉强度，使得产品具有优良的综合力学性能，并极大地提高了产品的最终厚度。
[0021]2、本发明通过对针刺工艺的细化研究，掌握了针刺工艺参数对产品综合力学性能的影响，从而通过调整针刺工艺参数，获得Z向高强度预氧丝厚毡，满足航空航天领域的应用要求。
[0022]3、采用本发明的方法在显著提高产品最终厚度的同时，明显改善了产品力学性能的均一性,制备的预氧丝厚租的厚度可达10mm?650mm, X-Y向抗拉强度不小于1.9MPa, Z向抗拉强度不小于20kPa，拓宽了预氧丝厚毡在航空航天领域的应用。
[0023]下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步详细说明。
【具体实施方式】
[0024]实施例1
[0025]步骤一、选用山西榆次化纤厂12k短切预氧丝作原料,抗拉强度2MPa,对50mm?80mm的短切预氧丝，将短切预氧丝铺成面密度为250g/m2的网胎，按照针刺机的尺寸裁剪网胎，将一张裁剪后的网胎铺设于泡沫垫层上，再将铺设有网胎的泡沫垫层置于针刺机的针刺平台上，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为28针/cm2 ；
[0026]步骤二、将步骤一中针刺后的网胎水平转动90°，然后再铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，同时针刺平台下降1_，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为28针/cm2 ；
[0027]步骤三、按照步骤二的方法反复铺设网胎和针刺，去除泡沫垫层后，得到厚度为45mm的预氧丝还体；
[0028]步骤四、将步骤三中所述预氧丝坯体翻转180°后置于针刺机的针刺平台上，向翻转后的预氧丝坯体上铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，然后将铺设网胎后的预氧丝坯体水平转动90°，同时针刺平台下降1mm，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为28针/cm2，再按照步骤二的方法对针刺后的预氧丝坯体进行四次铺设网胎和针刺；
[0029]步骤五、按照步骤四的方法对进行四次铺设网胎和针刺后的预氧丝坯体进行铺设网胎和针刺，直至得到厚度为250mm，X-Y向抗拉强度为2.14MPa，Z向抗拉强度为27.4kPa的高强度预氧丝厚毡。
[0030]采用常规的单面转向叠层针刺方法制备与本实施例同样厚度的预氧丝厚毡，采用同样的原材料和相同的针刺工艺参数，制备的预氧丝厚毡的X-Y向和Z向抗拉强度离散性较大，Z向抗拉强度呈现出中心高四边低的现象，边上有轻微分层现象，最低Z向抗拉强度仅为 13.1kPa0
[0031]实施例2
[0032]步骤一、选用山西榆次化纤厂12k短切预氧丝作原料,抗拉强度2MPa,对50mm?80mm的短切预氧丝，将短切预氧丝铺成面密度为450g/m2的网胎，按照针刺机的尺寸裁剪网胎，将一张裁剪后的网胎铺设于泡沫垫层上，再将铺设有网胎的泡沫垫层置于针刺机的针刺平台上，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为33针/cm2 ；
[0033]步骤二、将步骤一中针刺后的网胎水平转动90°，然后再铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，同时针刺平台下降1.7_，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为33针/cm2 ；
[0034]步骤三、按照步骤二的方法反复铺设网胎和针刺，去除泡沫垫层后，得到厚度为40mm的预氧丝还体；
[0035]步骤四、将步骤三中所述预氧丝坯体翻转180°后置于针刺机的针刺平台上，向翻转后的预氧丝坯体上铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，然后将铺设网胎后的预氧丝坯体水平转动90°，同时针刺平台下降1.7mm，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为33针/cm2，再按照步骤二的方法对针刺后的预氧丝坯体进行四次铺设网胎和针刺；
[0036]步骤五、按照步骤四的方法对进行四次铺设网胎和针刺后的预氧丝坯体进行铺设网胎和针刺，直至得到厚度为650mm，X-Y向抗拉强度为1.99MPa，Z向抗拉强度为24.6kPa的高强度预氧丝厚毡。
[0037]采用常规的单面转向叠层针刺方法制备与本实施例同样厚度的预氧丝厚毡，采用同样的原材料和相同的针刺工艺参数，制备的预氧丝厚毡X-Y向和Z向抗拉强度离散性较大，Z向抗拉强度呈现出中心高四边低的现象，边上出现明显分层现象，边部的Z向抗拉强度仅为4.6kPa。
[0038]实施例3
[0039]步骤一、选用上海合成纤维研究所12k短切预氧丝作原料，抗拉强度3MPa,对50mm?80mm的短切预氧丝，将短切预氧丝铺成面密度为300g/m2的网胎，按照针刺机的尺寸裁剪网胎，将一张裁剪后的网胎铺设于泡沫垫层上，再将铺设有网胎的泡沫垫层置于针刺机的针刺平台上，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为30针/cm2 ；
[0040]步骤二、将步骤一中针刺后的网胎水平转动90°，然后再铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，同时针刺平台下降1.2_，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为30针/cm2 ；
[0041]步骤三、按照步骤二的方法反复铺设网胎和针刺，去除泡沫垫层后，得到厚度为45mm的预氧丝还体；
[0042]步骤四、将步骤三中所述预氧丝坯体翻转180°后置于针刺机的针刺平台上，向翻转后的预氧丝坯体上铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，然后将铺设网胎后的预氧丝坯体水平转动90°，同时针刺平台下降1.2mm，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为30针/cm2，再按照步骤二的方法对针刺后的预氧丝坯体进行四次铺设网胎和针刺；
[0043]步骤五、按照步骤四的方法对进行四次铺设网胎和针刺后的预氧丝坯体进行铺设网胎和针刺，直至得到厚度为100mm，X-Y向抗拉强度为1.9MPa，Z向抗拉强度为28.9kPa的高强度预氧丝厚毡。
[0044]采用常规的单面转向叠层针刺方法制备与本实施例同样厚度的预氧丝厚毡，采用同样的原材料和相同的针刺工艺参数，制备的预氧丝厚毡边部的Z向抗拉强度仅为21.2kPa。
[0045]实施例4
[0046]步骤一、选用山西榆次化纤厂12k短切预氧丝作原料,抗拉强度2MPa,对50mm?80mm的短切预氧丝，将短切预氧丝铺成面密度为400g/m2的网胎，按照针刺机的尺寸裁剪网胎，将一张裁剪后的网胎铺设于泡沫垫层上，再将铺设有网胎的泡沫垫层置于针刺机的针刺平台上，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为32针/cm2 ；
[0047]步骤二、将步骤一中针刺后的网胎水平转动90°，然后再铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，同时针刺平台下降1.5_，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为32针/cm2 ；
[0048]步骤三、按照步骤二的方法反复铺设网胎和针刺，去除泡沫垫层后，得到厚度为40mm的预氧丝还体；
[0049]步骤四、将步骤三中所述预氧丝坯体翻转180°后置于针刺机的针刺平台上，向翻转后的预氧丝坯体上铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，然后将铺设网胎后的预氧丝坯体水平转动90°，同时针刺平台下降1.5mm，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为32针/cm2，再按照步骤二的方法对针刺后的预氧丝坯体进行四次铺设网胎和针刺；
[0050]步骤五、按照步骤四的方法对进行四次铺设网胎和针刺后的预氧丝坯体进行铺设网胎和针刺，直至得到厚度为150mm，X-Y向抗拉强度为2.04MPa, Z向抗拉强度为26.3kPa的高强度预氧丝厚毡。
[0051]采用常规的单面转向叠层针刺方法制备与本实施例同样厚度的预氧丝厚毡，采用同样的原材料和相同的针刺工艺参数，制备的预氧丝厚毡Z向抗拉强度呈现出中心高四边低的现象，边部的Z向抗拉强度仅为13.9kPa。
[0052]实施例5
[0053]步骤一、选用上海合成纤维研究所6k短切预氧丝作原料，抗拉强度2.5MPa，对50mm?80mm的短切预氧丝，将短切预氧丝铺成面密度为350g/m2的网胎，按照针刺机的尺寸裁剪网胎，将一张裁剪后的网胎铺设于泡沫垫层上，再将铺设有网胎的泡沫垫层置于针刺机的针刺平台上，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为30针/cm2 ；
[0054]步骤二、将步骤一中针刺后的网胎水平转动90°，然后再铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，同时针刺平台下降1.4_，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为30针/cm2 ；
[0055]步骤三、按照步骤二的方法反复铺设网胎和针刺，去除泡沫垫层后，得到厚度为50mm的预氧丝还体；
[0056]步骤四、将步骤三中所述预氧丝坯体翻转180°后置于针刺机的针刺平台上，向翻转后的预氧丝坯体上铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，然后将铺设网胎后的预氧丝坯体水平转动90°，同时针刺平台下降1.4mm，启动针刺机进行针刺，针刺的密度为30针/cm2，再按照步骤二的方法对针刺后的预氧丝坯体进行四次铺设网胎和针刺；
[0057]步骤五、按照步骤四的方法对进行四次铺设网胎和针刺后的预氧丝坯体进行铺设网胎和针刺，直至得到厚度为400mm，X-Y向抗拉强度为1.95MPa，Z向抗拉强度为20.2kPa的高强度预氧丝厚毡。
[0058]采用常规的单面转向叠层针刺方法制备与本实施例同样厚度的预氧丝厚毡，采用同样的原材料和相同的针刺工艺参数，制备的预氧丝厚毡X-Y向和Z向抗拉强度离散性较大，Z向抗拉强度呈现出中心高四边低的现象，边上出现明显分层现象，边部的Z向抗拉强度仅为6.9kPa。
[0059]通过以上5个实施例所制备的预氧丝厚毡和相应的采用单面转向叠层针刺方法制备的预氧丝厚毡的Z向抗拉强度对比分析可以明显看出，采用本发明的方法制备预氧丝厚毡，能明显改善制品Z向抗拉强度的均一性，有效改善其综合力学性能，防止制品出现分层现象，这种改善效果随制品厚度的增加而愈发明显，从而使得制备厚度大于10mm的Z向高强度预氧丝厚毡成为可能。
[0060]以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何限制，凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
【权利要求】
1.一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤一、将短切预氧丝铺成网胎，按照针刺机的尺寸裁剪网胎，将一张裁剪后的网胎铺设于泡沫垫层上，再将铺设有网胎的泡沫垫层置于针刺机的针刺平台上，启动针刺机进行针刺； 步骤二、将步骤一中针刺后的网胎水平转动90°，然后在针刺后的网胎上铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，同时针刺平台下降Imm?1.7_，启动针刺机进行针刺； 步骤三、按照步骤二的方法反复铺设网胎和针刺，去除泡沫垫层后，得到厚度为40mm?50mm的预氧丝还体； 步骤四、将步骤三中所述预氧丝坯体翻转180°后置于针刺机的针刺平台上，向翻转后的预氧丝坯体上铺设一张步骤一中裁剪后的网胎，然后将铺设网胎后的预氧丝坯体水平转动90°，同时针刺平台下降Imm?1.7mm，启动针刺机进行针刺，再按照步骤二的方法对针刺后的预氧丝坯体进行四次铺设网胎和针刺； 步骤五、按照步骤四的方法对进行四次铺设网胎和针刺后的预氧丝坯体进行铺设网胎和针刺，直至得到厚度为10mm?650mm，Z向抗拉强度不小于20kPa的高强度预氧丝厚毡。
2.根据权利要求1所述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，其特征在于，步骤一中所述短切预氧丝的长度为50mm?80mm,短切预氧丝的抗拉强度不小于2MPa。
3.根据权利要求1所述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，其特征在于，步骤一中所述网胎的面密度为250g/m2?450g/m2。
4.根据权利要求1所述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，其特征在于，步骤一中所述针刺的密度为28针/cm2?33针/cm2。
5.根据权利要求1所述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，其特征在于，步骤二中所述针刺的密度为28针/cm2?33针/cm2。
6.根据权利要求1所述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，其特征在于，步骤二中针刺平台下降1.2mm?1.5mm。
7.根据权利要求1所述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，其特征在于，步骤四中所述针刺的密度为28针/cm2?33针/cm2。
8.根据权利要求1所述的一种Z向高强度预氧丝厚毡的制备方法，其特征在于，步骤四中针刺平台下降1.2mm?1.5mm。
【文档编号】D04H1/42GK104073976SQ201410347096
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年7月21日 优先权日:2014年7月21日
【发明者】岳鸿飞, 王希杰, 刘建军, 赵华民, 赵景飞, 于晓丽, 张勇 申请人:西安康本材料有限公司