一种细观三向长丝碳纤维编织的大型立体骨架材料的制作方法

本发明涉及一种细观结构的碳纤维复合材料，尤其涉及一种细观三向长丝碳纤维编织的大型立体骨架材料。

背景技术：

目前，三维编织碳纤维复合材料凭借其超强韧性、能量吸收性能、轻柔性、结构稳定、耐腐蚀与耐高温等特性，已经广泛应用在航空航天、高端产业等领域中，但在实际应用中，特别在使用条件较为苛刻的环境中，现有的碳碳复合材料存在以下缺陷：

其一：现有的大多数碳碳复合材料骨架一是用无纺针刺工艺制成的针刺毡，此法是用聚丙烯腈(pan)的大丝束原丝，经预氧化工艺设备制成的预氧化丝束，经后续拉断法或切断法成为预氧化短纤维(不是碳纤维)。然后将预氧短纤维经过无纺针刺工艺设备流程，制成有限厚度的预氧针刺毡，即成为骨架材料。因受针刺工艺条件的限制，针刺毡松软，密度较低在0.26g/cm³左右，且预氧纤维强度较差。二是由碳纤维织成的二维(经、纬)平面布，或者由碳纤维无纺预浸布(片)，在平面方向层与层之间以0°/90°角度或其他角度铺层，并在其间充填短碳纤维，以此增加其密度，叠合成所需厚度，然后在垂直方向(z向)，再由碳纤维长丝连续贯穿缝合(类似手工扎鞋底的方法)所构成的三向骨架材料，密度在0.3～0.4g/cm³。所以，碳纤维骨架密度不高，在经后续气相沉积或液相浸渍高温增强处理后强度不高，特别是针刺工艺方法，所用的预氧纤维更显强度不足。

其二：用针刺毡制成的骨架，因针刺毡的长度受到钢针材料长度和刚度的制约，针刺毡的厚度一般不超过50毫米，要得到所需厚度，则要一层一层用粘合剂粘结叠加，厚度500毫米(50毫米x10层)，因此易分层强度差。而用层铺的方法制成的骨架，因受细长扎针长度和刚度的制约，此种骨架在长度方向最大不超过360毫米。所以，这两种方法都无法制成大体积的碳纤维复合材料骨架。

其三：用针刺毡或者层铺的方法制成的碳纤维复合材料骨架，骨架内部路径混乱，容易产生阻力，导致渗入不深，而且骨架内部的气体不易排出，因而制成的复合材料内部会形成气包，不易排出，当遇到高温高压时，会带来产品的破坏。

其四：用针刺毡或者层铺的方法制成的碳纤维复合材料骨架，只能采用单一的原材料，应用范围有限，不能根据特殊的应用特性而采用混编的方式来提高性能。

因此，针对上述现有技术所存在的问题，本领域技术人员亟待开发出能够克服上述缺点的碳纤维棒骨架材料。

技术实现要素：

本发明的目的是解决现有技术中用针刺毡或层铺的方法制成碳纤维复合材料所存在的上述问题，提供一种结构稳固、受力均匀、抗冲击力强、能制成大体积的细观三向长丝碳纤维编织的立体骨架材料。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种细观三向长丝碳纤维编织的立体骨架材料，所述立体骨架材料由立体骨架结构和填充于所述立体骨架结构内的填料经高温增强处理而成；其中，所述立体骨架结构由一组横向设置的碳纤维、一组纵向设置的碳纤维以及一组垂直设置的碳纤维构成；所述横向设置的碳纤维和所述纵向设置的碳纤维上下交替设置，所述横向设置的碳纤维和所述纵向设置的碳纤维在垂直投影面上的投影相交形成正方形，所述垂直设置的碳纤维在垂直投影面上的投影位于所述正方形的中心位置。

进一步地，所述填料包括聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚芳基乙炔硅树脂、增强聚醚醚酮、石油沥青、中间相沥青等中的一种或几种。

进一步优选地，所述填料还包括金属粉末或其颗粒、陶瓷粉末或其颗粒、碳粉、石墨粉、焦炭粉等中的一种或几种。

进一步地，所述立体骨架材料由立体骨架结构和填充于所述立体骨架结构内的填料采用cvd工艺或cvi工艺及后道高温增强处理而成，所述高温增强处理的温度为1000-3000℃。

进一步优选地，在进行所述cvd工艺或cvi工艺前先抽真空并填充气体介质。

更进一步地，所述气体介质为烷烃类气体和惰性气体或氧气或氮气或氢气等。

进一步地，每组碳纤维均由若干排组成，每排碳纤维位于同一平面上，排与排所处的平面相互平行，每排由多根碳纤维构成，根与根之间相互平行。

进一步优选地，所述一组横向设置的碳纤维中，各排碳纤维长丝或者碳纤维线材在垂直投影面上的投影重叠；以及所述一组纵向设置的碳纤维中，各排碳纤维长丝或者碳纤维线材在垂直投影面上的投影重叠。

进一步优选地，所述每组碳纤维中，相邻两排所处的平面之间的间距相等；每排碳纤维中，相邻两根碳纤维之间的间距相等。

进一步优选地，所述一组横向设置的碳纤维中，相邻两排碳纤维所处的平面之间的间距至少为碳纤维直径的2倍，在每排横向设置的碳纤维中，相邻两根碳纤维之间的间距至少为碳纤维直径的2倍。

进一步优选地，所述一组纵向设置的碳纤维中，相邻两排碳纤维所处的平面之间的间距至少为碳纤维直径的2倍；在每排纵向设置的碳纤维中，相邻两根碳纤维之间的间距至少为碳纤维直径的2倍。

进一步地，所述碳纤维为碳纤维长丝和/或碳纤维线材或预制刚性碳纤维长丝线材。

进一步优选地，所述碳纤维长丝、碳纤维线材和预制刚性碳纤维长丝线材的截面为圆形或方形。

进一步地，所述一组横向设置的碳纤维、一组纵向设置的碳纤维、以及一组垂直设置的碳纤维均为碳纤维长丝或碳纤维线材；或者所述一组横向设置的碳纤维、一组纵向设置的碳纤维、以及一组垂直设置的碳纤维均为碳纤维长丝均为预制刚性碳纤维长丝和/或碳纤维线材；以及或者所述一组横向设置的碳纤维和所述一组纵向设置的碳纤维采用碳纤维长丝或碳纤维线材，所述一组垂直设置的碳纤维采用预制刚性碳纤维长丝和/或碳纤维线材。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

1)该细观三向长丝碳纤维编织的立体骨架材料，采用三组碳纤维长丝或者碳纤维线材，相互平行、相互交叉，密度可达0.5～0.8g/cm³，得到各向同质均匀等强度的细观三向长丝碳纤维编织的立体骨架材料；

2)利用大型立体编织机，编织长丝碳纤维长丝占有率最高可达100％的大规格整体性立体，特别是长大的立体，长度可达10米以上；

3)针对cvd或cvi容易遇到阻力且碳纤维骨架内部的气体排出不畅的问题，该立体骨架由于平行碳纤维长丝或者碳纤维线材之间存在开放通道，使得cvd或cvi更加容易，内部气体的排出基本能在垂直方向排出，所以进出阻力较小，更容易生产大尺寸的骨架。

4)该细观三向长丝碳纤维编织的大型立体骨架材料可根据应用所需，x、y、z各向均直接用碳纤维长丝，在各向有控制预张力的条件下，x向与y向按序交叉软性连续编织成柔性编织立体，或x、y、z各向均用预制刚性碳纤维长丝线材编织成刚性编织立体，或z向经用预制刚性碳纤维长丝线材，x、y向直接用柔性碳纤维长丝编织刚柔混编立体；

5)该细观三向长丝碳纤维编织的大型立体骨架材料中各组碳纤维在细观尺度上形成各自的三维空间连续网络结构，互相交织在一起，相互交叉，互不干涉。

综上，本发明提供的细观三向长丝碳纤维编织的立体骨架材料的结构体相互交叉、不易扭曲、强度高，可以复制扩大且结构均匀，因此在一定方向上受力均匀；密度高；长丝占有率高；所有长丝或者线材之间存在开放性通道，能使后续cvd或cvi工艺处理非常顺利。

附图说明

图1为本发明一种细观三向长丝碳纤维编织的立体骨架材料的结构示意图；

图2为本发明一种细观三向长丝碳纤维编织的立体骨架材料中骨架结构的结构示意图；

图3为本发明一种细观三向长丝碳纤维编织的立体骨架材料中骨架结构的俯视示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种细观三向长丝碳纤维编织的大型立体骨架材料，该立体骨架材料由立体骨架结构和填充于所述立体骨架结构内的填料高温增强处理而成；所述立体骨架结构由三组碳纤维长丝组成，分别为一组横向设置(x向)的碳纤维长丝1，一组纵向设置(y向)的碳纤维长丝2，以及一组垂直设置(z向)的碳纤维长丝3，所述的横向设置的碳纤维长丝1和纵向设置的碳纤维长丝2上下交替设置，横向设置的碳纤维长丝1和纵向设置的碳纤维长丝2在垂直投影面上的投影相交形成多个正方形，垂直设置的碳纤维长丝3在垂直投影面上的投影位于该正方形的中心。

所述填料包括聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚芳基乙炔硅树脂、增强聚醚醚酮、石油沥青、中间相沥青中的一种或几种；所述填料还包括金属粉末或其颗粒、陶瓷粉末或其颗粒或、碳粉、石墨粉、焦炭粉中的一种或几种。

所述立体骨架材料由立体骨架结构和填充于所述立体骨架结构内的填料采用cvd工艺或cvi工艺及后道高温增强处理而成，高温增强处理的温度为1000-3000℃，优选为2300-2800℃。

在进行所述cvd工艺或cvi工艺前先抽真空并填充气体介质，所述气体介质为烷烃类气体和惰性气体或氧气或氮气或氢气等，所述烷烃类气体为乙烷、丙烷、丁烷等烷烃类气体；所述惰性气体为氦气、氩气等惰性气体。

横向设置(x向)的碳纤维长丝1与纵向设置(y向)的碳纤维长丝2之间相互垂直设置，垂直设置(z向)的碳纤维长丝3与横向设置(x向)的碳纤维长丝1和纵向设置(y向)的碳纤维长丝2皆垂直。

每组碳纤维长丝由若干排组成，每排碳纤维长丝位于同一平面上，排与排所处的平面相互平行，每排由多根碳纤维长丝构成，根与根之间相互平行。所述的一组横向设置的碳纤维长丝中，各排碳纤维长丝在垂直投影面上的投影重叠。所述的一组纵向设置的碳纤维长丝中，各排碳纤维长丝在垂直投影面上的投影重叠。

所述的每组碳纤维长丝中，相邻两排所处的平面的距离相等，为碳纤维长丝直径的2倍，每排碳纤维长丝中，相邻两根碳纤维长丝的距离相等，为碳纤维长丝直径的2倍。三组碳纤维长丝的排间距和每排的根间距均相等。x、y、z向的碳纤维长丝相互相切，同一排的碳纤维长丝的相切点在同一平面上。碳纤维长丝的截面为圆形或方形。

制作时，一是制作定位模具，来保证某一向(如z向)在一定空间范围内定位，为保证碳纤维长丝交叉顺利，必须保证定位模具的精确度，然后在编织机程序的指令下，依次由下而上，交替进行x向和y向的碳纤维长丝的放置，放置时注意各组的相切，待所有的碳纤维长丝全部放置后形成细观三向长丝碳纤维编织的柔性编织立体骨架。

将预先制得的细观三向长丝碳纤维编织的柔性编织立体骨架材料可再进行cvd或cvi工序，由于骨架体内充满着空气，极易在后续填充时形成气包，因此可以在填充介质前抽取空气形成真空状态，骨架内部的空间均存在直线的开放通道，没有任何死角，可以一定速度和一定量填充介质时不会存在气包，保证了基材内部全部均匀充满，对复合材料的质量是一个保证。同时也由于顺畅的通道，渗入固体粉末或颗粒，如金属粉末或其颗粒、陶瓷粉末或其颗粒、碳粉、石墨粉、焦炭粉也比较容易到达骨架内部且能保持均匀，最后经过后道处理，制成所需的柔性编织立体骨架材料。

实施例2

类似于实施例1，区别在于，所述的碳纤维长丝替换为预制刚性碳纤维长丝线材。本实施例提供一种细观三向长丝碳纤维编织的大型立体骨架材料，该立体骨架材料由立体骨架结构和填充于所述立体骨架结构内的填料高温增强处理而成；所述立体骨架结构由三组预制刚性碳纤维长丝线材组成，分别为一组横向设置(x向)的预制刚性碳纤维长丝线材1，一组纵向设置(y向)的预制刚性碳纤维长丝线材2，以及一组垂直设置(z向)的预制刚性碳纤维长丝线材3，所述的横向设置的预制刚性碳纤维长丝线材1和纵向设置的预制刚性碳纤维长丝线材2上下交替设置，横向设置的预制刚性碳纤维长丝线材1和纵向设置的预制刚性碳纤维长丝线材2在垂直投影面上的投影相交形成多个正方形，垂直设置的预制刚性碳纤维长丝线材3在垂直投影面上的投影位于该正方形的中心。

所述填料包括聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚芳基乙炔硅树脂、增强聚醚醚酮、石油沥青、中间相沥青中的一种或几种；所述填料还包括金属粉末或其颗粒、陶瓷粉末或其颗粒、碳粉、石墨粉、焦炭粉中的一种或几种。

所述立体骨架材料由立体骨架结构和填充于所述立体骨架结构内的填料采用cvd工艺或cvi工艺及后道高温增强处理而成，高温增强处理的温度为1000-3000℃，优选为2300-2800℃。

在进行所述cvd工艺或cvi工艺前先抽真空并填充气体介质，所述气体介质为烷烃类气体和惰性气体或氧气或氮气或氢气，所述烷烃类气体为乙烷、丙烷、丁烷等烷烃类气体；所述惰性气体为氦气、氩气等惰性气体。

横向设置(x向)的预制刚性碳纤维长丝线材1与纵向设置(y向)的预制刚性碳纤维长丝线材2之间相互垂直设置，垂直设置(z向)的预制刚性碳纤维长丝线材3与横向设置(x向)的预制刚性碳纤维长丝线材1和纵向设置(y向)的预制刚性碳纤维长丝线材2皆垂直。

每组预制刚性碳纤维长丝线材由若干排组成，每排预制刚性碳纤维长丝线材位于同一平面上，排与排所处的平面相互平行，每排由多根预制刚性碳纤维长丝线材构成，根与根之间相互平行。所述的一组横向设置的预制刚性碳纤维长丝线材中，各排预制刚性碳纤维长丝线材在垂直投影面上的投影重叠。所述的一组纵向设置的预制刚性碳纤维长丝线材中，各排预制刚性碳纤维长丝线材在垂直投影面上的投影重叠。

所述的每组预制刚性碳纤维长丝线材中，相邻两排所处的平面的距离相等，为预制刚性碳纤维长丝线材直径的2倍，每排预制刚性碳纤维长丝线材中，相邻两根预制刚性碳纤维长丝线材的距离相等，为预制刚性碳纤维长丝线材直径的2倍。三组预制刚性碳纤维长丝线材的排间距和每排的根间距均相等。x、y、z向的预制刚性碳纤维长丝线材相互相切，同一排的预制刚性碳纤维长丝线材的相切点在同一平面上。预制刚性碳纤维长丝线材的截面为圆形或方形。

制作时，一是制作定位模具，来保证某一向(如z向)在一定空间范围内定位，为保证预制刚性碳纤维长丝线材交叉顺利，必须保证定位模具的精确度，然后在编织机程序的指令下，依次由下而上，交替进行x向和y向的预制刚性碳纤维长丝线材的放置，放置时注意各组的相切，待所有的预制刚性碳纤维长丝线材全部放置后形成细观三向长丝碳纤维编织的刚性编织立体骨架。

将预先制得的细观三向长丝碳纤维编织的刚性编织立体骨架材料可再进行cvd或cvi工序，由于骨架体内充满着空气，极易在后续填充时形成气包，因此可以在填充介质前抽取空气形成真空状态，骨架内部的空间均存在直线的开放通道，没有任何死角，可以一定速度和一定量填充介质时不会存在气包，保证了基材内部全部均匀充满，对复合材料的质量是一个保证。同时也由于顺畅的通道，渗入固体粉末，如金属粉末或其颗粒、陶瓷粉末或其颗粒、碳粉、石墨粉、焦炭粉也比较容易到达骨架内部且能保持均匀，最后经过后道处理，制成所需的刚性编织立体骨架材料。

实施例3

类似于实施例1，区别在于，z向经用预制刚性碳纤维长丝线材，x、y向直接用柔性碳纤维长丝，此两向有控制预张力装置的条件下，按顺序编织刚柔混编的立体。如图1和图2所示，本实施例提供一种细观三向长丝碳纤维编织的大型立体骨架材料，该立体骨架材料由立体骨架结构和填充于所述立体骨架结构内的填料经高温增强处理而成；所述立体骨架结构由三组碳纤维长丝组成，分别为一组横向设置(x向)的碳纤维长丝1，一组纵向设置(y向)的碳纤维长丝2，以及一组垂直设置(z向)的预制刚性碳纤维长丝线材3，所述的横向设置的碳纤维长丝1和纵向设置的碳纤维长丝2上下交替设置，横向设置的碳纤维长丝1和纵向设置的碳纤维长丝2在垂直投影面上的投影相交形成多个正方形，垂直设置的预制刚性碳纤维长丝线材3在垂直投影面上的投影位于该正方形的中心。

所述填料包括聚甲基丙烯酸甲酯、环氧树脂、酚醛树脂、呋喃树脂、聚芳基乙炔硅树脂、增强聚醚醚酮、石油沥青、中间相沥青中的一种或几种；所述金属粉末或其颗粒、陶瓷粉末或其颗粒、碳粉、石墨粉、焦炭粉中的一种或几种。

所述立体骨架材料由立体骨架结构和填充于所述立体骨架结构内的填料采用cvd工艺或cvi工艺及后道高温增强处理而成，高温增强处理温度为1000-3000℃，优选为2300-2800℃。

在进行所述cvd工艺或cvi工艺前先抽真空并填充气体介质，所述气体介质为烷烃类气体和惰性气体或氧气或氮气或氢气等，所述烷烃类气体为乙烷、丙烷、丁烷等烷烃类气体；所述惰性气体为氦气、氩气等惰性气体。

横向设置(x向)的碳纤维长丝1与纵向设置(y向)的碳纤维长丝2之间相互垂直设置，垂直设置(z向)的预制刚性碳纤维长丝线材3与横向设置(x向)的碳纤维长丝1和纵向设置(y向)的碳纤维长丝2皆垂直。

每组碳纤维长丝由若干排组成，每排碳纤维长丝位于同一平面上，排与排所处的平面相互平行，每排由多根碳纤维长丝构成，根与根之间相互平行。所述的一组横向设置的碳纤维长丝中，各排碳纤维长丝在垂直投影面上的投影重叠。所述的一组纵向设置的碳纤维长丝中，各排碳纤维长丝在垂直投影面上的投影重叠。

所述的每组碳纤维长丝中，相邻两排所处的平面的距离相等，为碳纤维长丝直径的2倍，每排碳纤维长丝中，相邻两根碳纤维长丝的距离相等，为碳纤维长丝直径的2倍。三组碳纤维长丝的排间距和每排的根间距均相等。x、y向的碳纤维长丝以及z向的预制刚性碳纤维长丝线材之间相互相切，同一排的碳纤维长丝或预制刚性碳纤维长丝线材的相切点在同一平面上。碳纤维长丝或预制刚性碳纤维长丝线材的截面为圆形或方形。

制作时，一是制作定位模具，来保证某一向(如z向)在一定空间范围内定位，为保证碳纤维长丝交叉顺利，必须保证定位模具的精确度，然后在编织机程序的指令下，依次由下而上，交替进行x向和y向的碳纤维长丝的放置，放置时注意各组的相切，待所有的碳纤维长丝全部放置后形成细观三向长丝碳纤维编织的刚柔混编立体骨架。

将预先制得的细观三向长丝碳纤维编织的刚柔混编立体骨架材料可再进行cvd或cvi工序，由于骨架体内充满着空气，极易在后续填充时形成气包，因此可以在填充介质前抽取空气形成真空状态，骨架内部的空间均存在直线的开放通道，没有任何死角，可以一定速度和一定量填充介质时不会存在气包，保证了基材内部全部均匀充满，对复合材料的质量是一个保证。同时也由于顺畅的通道，渗入固体粉末，如金属粉末或其颗粒、陶瓷粉末或其颗粒、碳粉、石墨粉、焦炭粉也比较容易到达骨架内部且能保持均匀，最后经过后道处理，制成所需的刚柔混编立体骨架材料。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。