碳纤维展宽布针刺预制体的制作方法

本实用新型涉及碳纤维织造技术领域，特别是指一种碳纤维展宽布针刺预制体。

背景技术：

碳纤维针刺预制体通常以碳纤维平面织物和碳纤维薄毡为原材料进行接力针刺，依靠倒向钩刺将织物和薄毡中的部分水平纤维植入z向，产生垂直纤维簇，使平面织物和薄毡相互结合约束，形成平面和z向均有一定强度的准三维独特网状结构预制体，具有孔隙分布均匀、易致密成型、较高的面内和层间强度、生产成本低等特点，已广泛应用于导弹端头、固体火箭发动机喉衬、碳/碳扩张段、飞机刹车盘等。现有碳纤维针刺预制体中碳纤维平面织物通常采用6k、12k碳纤维，结构单元层为平纹、缎纹、斜纹、单向碳纤维布与薄毡或其组合，预制体单元层间距通常在0.6mm以上，体积密度不高(≤0.65g/cm³)，制成复合材料后力学性能已不能满足高性能复合材料的应用发展需求。

技术实现要素：

鉴于以上内容，有必要提供一种改进的针刺预制体，具有更高体积密度，力学性能好，能够满足新型武器装备的发展需求。

本实用新型提供的技术方案为：一种碳纤维展宽布针刺预制体，包括若干平面叠置的单元层和由针刺植入的层间纤维，若干所述单元层包含至少一层碳纤维展宽布或展宽碳纤维，和至少一层薄毡。

进一步的，相邻两层所述单元层的层间距为0.10-0.28mm。

进一步的，相邻两层所述单元层的层间距为0.13-0.28mm。

进一步的，多层所述单元层以预设角度依次叠置设置，所述预设角度包括0°、30°、45°、60°及90°中一个或多个。

进一步的，每一所述单元层主要由数层碳纤维展宽布、展宽碳纤维中一种或多种与至少一层薄毡的组合构成。

进一步的，每一所述单元层中多层的碳纤维展宽布和/或展宽碳纤维层按照设定角度依次叠置设置，所述设定角度包括0°、30°、45°、60°及90°中一个或多个。

进一步的，每根所述层间纤维由一所述单元层的纤维针刺植入形成在所述单元层内部或多层所述单元层的内部，用以连结所述单元层中叠置的若干层或多层所述单元层中叠置的若干层。

进一步的，每根所述层间纤维由多层所述单元层的纤维针刺植入形成在多层所述单元层内部或数个多层所述单元层的内部，用以连结多层所述单元层的多层或数个多层所述单元层的多层。

进一步的，针刺植入的密度为15～35针/cm²。

进一步的，所述碳纤维展宽布的边缘设有聚乙烯醇涂层，所述碳纤维展宽布面密度为80-200g/m²，所述薄毡面密度为30-60g/m²。

与现有技术相比，本实用新型提供的碳纤维展宽布针刺预制体采用碳纤维展宽布，其厚度远小于传统平面织物，制备的针刺预制体体积密度可达0.70g/cm³以上，预制体的力学性能可提高40％左右。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型一实施方式中碳纤维展宽布针刺预制体的结构示意图。

附图标记说明:

碳纤维展宽布针刺预制体100

单元层10

碳纤维展宽布1

薄毡3

层间纤维50

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型实施例。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型实施例，所描述的实施方式仅是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型实施例保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型实施例。

请参阅图1，本实用新型涉及一种碳纤维展宽布针刺预制体100，复合基体(包括碳、碳化硅、气凝胶等等)后可用作导弹端头、固体火箭发动机喉衬、碳/碳扩张段、飞机刹车盘等产品。基于现有的针刺预制体的体积密度通常≤0.65g/cm³，难以满足新一代武器装备用复合材料的高性能发展趋势，由公式ρ＝n×m/h×10^-3(其中n：单元层数，层；m：织物与薄毡平方米克重，g/m²；h：织物与薄毡复合厚度，mm。)可以看出，其它因素确定的条件下，织物厚度值越小，预制体体积密度越高。为此，本实用新型以近年来发展的一种新型织物——碳纤维展宽布为研究对象，因为其具有很薄的厚度，如面密度为200g/m²的12k碳纤维平纹布厚度为0.298mm，而面密度为100g/m²的12k碳纤维展宽布厚度仅为0.098mm；将其与针刺工艺相结合来探索高密度针刺预制体的制备技术，目前采用碳纤维展宽布的针刺预制体，尚未见报道。

该碳纤维展宽布针刺预制体100包括若干平面叠置的单元层10和由针刺植入的层间纤维50，若干所述单元层10包含至少一层碳纤维展宽布1或展宽碳纤维，和至少一层薄毡3。在具体实施方式中，每一单元层10可以是单层的碳纤维展宽布1，或单层的展宽碳纤维，或单层的薄毡3，或多层的碳纤维展宽布1，或多层的展宽碳纤维，或多层的薄毡3，或若干碳纤维展宽布1与若干薄毡3的组合，或若干展宽碳纤维与若干薄毡3的组合，或若干碳纤维展宽布1、若干展宽碳纤维与若干薄毡3的组合，或前述这些与其他织物(传统平面碳布)或结构层(非织造织物或填充物等)的组合，只需使得预制体的单元层10中含有碳纤维展宽布1和/或展宽碳纤维和薄毡3，具体要视生产和性能需求设计而定。

所述单元层10，为连续叠置的基础单元。多层所述单元层10可以预设角度依次叠置设置，所述预设角度包括0°、30°、45°、60°及90°中一个或多个。其中，每一单元层10中多层的碳纤维展宽布1和/或展宽碳纤维也可以按照设定角度依次叠置设置，所述设定角度包括0°、30°、45°、60°及90°中一个或多个。预设角度和设定角度的设置主要贡献于预制体平面性能的均匀性，对单元层的层间距不构成影响。在上述单元层10各种结构形式中，为有效提升预制体的体积密度，优选每一所述单元层10主要由数层碳纤维展宽布1、展宽碳纤维中一种或多种与至少一层薄毡3的组合构成。如此，碳纤维展宽布和/或展宽碳纤维的占比更高，预制体的层间可以更密实，在不考虑针刺的难易和工艺参数(包括针刺密度和深度及布针方式等)的基础上，体积密度理论上能够最大程度优化。而且，碳纤维展宽布1可以减小预制体的屈曲程度和屈曲波的数目，可有效提高纤维力学性能的利用率，减少屈曲引起的应力集中，提高预制体的力学性能。

所述层间纤维50，为针刺植入的短纤维簇。无论单元层结构变化如何的多样化，层间纤维50均形成在多个平面结构层的内部(该内部是指区别于平面，与平面相交的方向，可以是倾斜或是垂直的)，用以连结多个平面结构层乃至多个平面结构层与其他依次叠置的若干平面结构层。可以说，每根所述层间纤维50由一所述单元层10的纤维针刺植入形成在所述单元层10的内部或多层所述单元层10的内部，用以连结所述单元层10中叠置的若干层或多层所述单元层10中叠置的若干层。如图1所示，每一单元层10包括一层薄毡3和四层碳纤维展宽布1，该四层碳纤维展宽布1依次叠置，最后薄毡3覆设于顶面；每一单元层10依次叠置，形成一层薄毡3加四层碳纤维展宽布1的循环重复结构单元层；每一所述单元层的纤维(包括薄毡3和碳纤维展宽布1的)被垂直针刺植入单元层10的内部，连结着每层单元层10中的一层薄毡3和四层碳纤维展宽布1，且还连结至少两层所述单元层10；如此循环重复连结相邻的两层乃至以上的所述单元层10，最终可以得到具有较高体积密度的针刺预制体100。在具体实施方式中，针刺植入的密度为25～35针/cm²。在其他实施方式中，每根所述层间纤维50由多层所述单元层的纤维针刺植入形成在多层所述单元层内部或数个多层所述单元层的内部，用以连结多层所述单元层的多层或数个多层所述单元层的多层。也即是说，将一薄毡3、一碳纤维展宽布1均视为一单元层10；图示中一薄毡3和四层碳纤维展宽布1的组合可以视为多层所述单元层10，则一薄毡3和四层碳纤维展宽布1的纤维被垂直针刺植入连结着一薄毡3和四层碳纤维展宽布1，且还连结其他薄毡3和若干其他碳纤维展宽布1；针刺植入的密度为25～35针/cm²。

采用碳纤维展宽布和/或展宽碳纤维制备的针刺预制体单元层间距可达0.10-0.28mm；预制体的体积密度可达0.70g/cm³及以上；预制体力学性能可提高约40％。

值得一提的是，在研究过程中发现碳纤维展宽布1在裁剪过程中易发生边缘蠕变效应，即边缘碳纤维脱落，对产品的研制造成了极大的困扰。为此，我们不懈努力，确定了解决该蠕变效应的方法：碳纤维展宽布边缘涂覆聚乙烯醇溶液固定。该方法可解决碳纤维展宽布裁切过程中的边缘蠕变效应，聚乙烯醇易加热挥发，对复合材料的影响很小。

一种碳纤维展宽布针刺预制体100的制备方法，包括以下步骤：

步骤(1)：碳纤维展宽布边缘涂覆聚乙烯醇溶液固定；

步骤(2)：按照预制体型面裁剪碳纤维展宽布；

步骤(3)：将一层或多层碳纤维展宽布按照预制体型面仿形铺层；

步骤(4)：将一层或多层展宽碳纤维按照预制体型面仿形缠绕，形成纤维层；

步骤(5)：将一层或多层碳纤维薄毡沿碳纤维展宽布或展宽碳纤维层的表层铺放；

步骤(6)：采用针刺工艺，沿已铺放层面法向连续针刺成型；

步骤(7)：重复步骤(1)～(6)直至预制体最终成型。

为进一步说明本实用新型的结构设计及能够达到的性能，下面具体举例说明。

实施例一：

采用四层碳纤维展宽布复合一层碳纤维薄毡，碳纤维展宽布面密度为100g/m²，展宽布用碳纤维为12k，碳纤维薄毡面密度为40g/m²，针刺密度为(25～30)针/cm²，按此结构单元层逐层叠置，逐层针刺，制备弧形碳纤维展宽布针刺预制体，体积密度为0.76g/cm³，单元层间距为0.28mm。与同规格、同工艺参数的传统碳纤维平面织物制备的预制体相比，面内力学性能提高39％。

实施例二：

采用四层碳纤维展宽布复合一层碳纤维薄毡，碳纤维展宽布面密度为200g/m²，展宽布用碳纤维为12k，碳纤维薄毡面密度为30g/m²，针刺密度为(25～30)针/cm²，按此结构单元层逐层叠置，逐层针刺，制备板状碳纤维展宽布针刺预制体，体积密度为0.80g/cm³，单元层间距为0.14mm。与同规格、同工艺参数的传统碳纤维平面织物制备的预制体相比，面内力学性能提高41％。

实施例三：

采用二层碳纤维展宽布复合一层±45°展宽碳纤维网格缠绕层复合一层碳纤维薄毡，碳纤维展宽布面密度为200g/m²，展宽布及展宽碳纤维为12k，碳纤维薄毡面密度为30g/m²，针刺密度为(25～30)针/cm²，按此结构单元层逐层叠置，逐层针刺，制备板状碳纤维展宽布针刺预制体，体积密度为0.78g/cm³，单元层间距为0.19mm。与同规格、同工艺参数的传统碳纤维平面织物制备的预制体相比，面内力学性能提高35％。

对比例一：

采用四层碳纤维展宽布复合一层碳纤维薄毡，碳纤维展宽布面密度为80g/m²，展宽布用碳纤维为12k，碳纤维薄毡面密度为30g/m²，针刺密度为(30～35)针/cm²，按此结构单元层逐层叠置，逐层针刺，制备板状碳纤维展宽布针刺预制体，体积密度为0.79g/cm³，单元层间距为0.11mm。与同规格、同工艺参数的传统碳纤维平面织物制备的预制体相比，面内力学性能基本相当。

上述实施例和对比例的结果表明，采用碳纤维展宽布替代传统碳布即可以实现单元层间距的减小，使得体积密度增大；而密实的平面结构层与高密度针刺预制体的差距还体现在针刺工艺上，比如针刺密度。当针刺密度过大，针刺对纤维的损伤大，会平衡掉由展宽碳纤维带来的提高纤维力学性能的利用率的有益影响，尽管针刺预制体的体积密度增大，其面内力学性能却不呈现明显的提高。当然，针刺密度低，虽然对纤维的损伤小，但层间植入的有效纤维含量少，层间结合强度有限，不足以满足力学性能的高要求。在其他实施方式中，本实用新型就可以想到的单元层任意结构及任意单元层组合结构，还包括针刺密度设定范围的诸多设计方案展开过大量平行试验和对比分析，最终确定针刺密度优选25-30针/cm²，单元层的层间距优选0.13-0.28mm，成型的针刺预制体的体积密度为0.70-0.80g/cm³，其面内力学性能可提高40％左右。

上述碳纤维展宽布针刺预制体与传统碳纤维平面织物制备的针刺预制体相比面内力学性能更好，可用于高性能结构复合材料、功能复合材料或结构功能一体化复合材料。

以上实施方式仅用以说明本实用新型实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本实用新型实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本实用新型实施例的技术方案的精神和范围。