一种大型薄壁碳纤维针刺预制体及其制备方法与流程

本发明涉及复合材料技术领域，尤其是涉及一种化学气相渗透法制备碳/碳、碳/陶等复合材料的大型薄壁碳纤维针刺预制体及其制备方法。

背景技术：

c/c复合材料因具有强度质量比高、导热性能好等优点被广泛应用于航天航空领域。然而为了减轻结构重量，航天航空领域用材料广泛采用薄壁结构，即要求c/c复合材料的壁厚尽量薄、内外型面变形尽量少，又要保持一定力学性能。针刺碳纤维预制体具有孔隙分布均匀、致密化程度好和面内性能较高等特点，是各国争相采用的一种多用途、高技术含量的预制体成型技术。但薄壁结构碳纤维预制体较软，特别是密度较低时，不容易保证尺寸精度和平行度，在搬运和后期化学气相渗透工艺(cvi)中往往采用模具进行加载定型。但该方法在后期需要采用机械加工去除模具，同时模具也会影响cvi工艺的效率，从而导致了整体工序较为复杂，增加了生产成本，且机械加工过程中，容易破坏表层纤维的连续性，造成整体性能和稳定性有所降低。因此，需要一种具有一定刚度的碳纤维预制体，以避免模具在cvi过程中带来的影响。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明申请人提供了一种大型薄壁碳纤维针刺预制体及其制备方法。本发明预制体具有一定刚度和较高的尺寸精度，对c/c复合材料基体碳的结构影响较小，并便于后续cvi工艺成型。

本发明的技术方案如下：

一种大型薄壁碳纤维预制体，所述预制体结构单元层中或者单元层间含有树脂；

所述单元层结构为碳纤维网胎、树脂膜、碳布依次叠加后针刺形成的结构单元层；

或所述单元层结构为碳纤维/树脂纤维网胎、碳纤维/树脂纤维混杂织物依次叠加后针刺形成的结构单元层；

所述单元结构层多层叠加后，经热压制得所述大型薄壁碳纤维预制体。

所述树脂为聚乙烯pe、聚丙烯pp、聚苯乙烯ps、聚酰胺pa、聚甲醛pom、聚碳酸酯pc、聚醚醚酮peek、酚醛、沥青中的一种或多种。

所述碳纤维预制体的体积密度为0.1-0.8g/cm³。

一种所述大型薄壁碳纤维预制体的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备碳纤维网胎、树脂膜、碳布；

(2)将碳纤维网胎、树脂膜、碳布沿厚度方向叠合在一起，然后针刺，形成单元层结构；

(3)将多层单元层结构叠加后热压、脱模即制所述大型薄壁的针刺预制体。

所述碳纤维网胎的厚度为0.02-0.1cm，面密度为10-200g/cm²；所述碳布的厚度在0.01-0.2cm，面密度为100-500g/cm²；所述树脂膜的厚度为0.01-0.10cm；单元层的层数为2-8层。

一种所述大型薄壁碳纤维预制体的制备方法，包括如下步骤：

(1)制备碳纤维/树脂纤维网胎、碳纤维/树脂纤维混杂织物；

(2)将碳纤维/树脂纤维网胎、碳纤维/树脂纤维混杂织物沿厚度方向叠合在一起，然后针刺，形成单元层结构；

(3)将多层单元层结构叠加后热压、脱模即制所述大型薄壁的针刺预制体。

所述碳纤维/树脂纤维网胎的厚度为0.02-0.1cm，面密度为10-200g/cm²；所述碳纤维/树脂纤维混杂织物厚度为0.01-0.2cm，面密度为100-500g/cm²；单元层的层数在2-6层。

本发明有益的技术效果在于：

本发明利用树脂的两种形式(纤维和膜)加入到碳纤维网胎和碳布形成的结构单元层中或者层间，通过调配生产过程中树脂纤维的含量提高预制体整体的密度；同时，采用的树脂膜或树脂纤维在一定温度下其粘度迅速下降并能在短时间快速渗入碳纤维束内部，树脂热压固化形成的张力，从而使碳纤维针刺预制体具有的一定刚度和强度，避免了模具在后续cvi过程带来的影响。此外，少量的树脂在后期碳化或cvi工艺中直接转化成气体或基体碳，对c/c复合材料基体碳的结构影响较小。相对于树脂粉末来说，树脂膜和树脂纤维的形式改善了其在碳纤维预制体中分布不均匀的影响，保证工艺稳定性和制备效率。

附图说明

图1为本发明中实施例1的结构单元示意图；

其中1表示为混杂纤维布，2表示混杂网胎；

图2为本发明中实施例3的结构单元示意图；

其中1表示为纤维布，2表示为树脂膜，3表示为网胎，4表示树脂膜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进行具体描述。

实施例1：

参照图1，一种大型薄壁碳纤维预制体y1，该碳纤维针刺预制体为规格800mm×500mm×4mm平板织物，要求碳纤维预制体体积密度为0.45g/cm³。该针刺预制体由16个结构单元层构成，每个结构单元层由1层碳纤维/pe纤维混杂网胎和1层碳纤维/pe纤维混杂平纹布构成。其中，碳纤维/pe纤维混杂网胎的密度为50g/m²，其中pe纤维的含量为50wt％；碳纤维/pe混杂平纹布的密度为250g/m²，其中pe纤维的含量为20wt％。

按如下步骤制备碳纤维预制体y1：

(1)生产混杂纤维布和混杂纤维网胎

(1.1)碳纤维/pe纤维混杂布的制备:

以12k的碳纤维纱线为经纱，800d的pe纤维纱线为纬纱，经密度为25根/10cm，纬密度为562根/10cm，在织布机上织造面密度为250g/m²的碳纤维/pe纤维平纹布；

(1.2)碳纤维/pe纤维混杂网胎的制备:

分布将碳纤维和pe纤维进行短切，碳纤维的短切长度为6mm，pe纤维的短切长度为6mm，将碳纤维和pe纤维按照质量比1：1的比例进行均匀混合，再经过开松、梳理、铺网后，形成面密度为50g/m²的混杂纤维网胎；

(2)制备结构单元层

将一层碳纤维/pe纤维混杂布和一层碳纤维/pe纤维混杂网胎进行叠加，形成结构单元层。由于本实施例中碳纤维/pe纤维混杂布的碳纤维均为经纱，因此，按照经纱方向统一排布结构单元层。同时，本实施例中的预制体结构简单，单元层数少，在制备结构单元层时不需要进行单独针刺。

(3)制备针刺预制体

设定工艺参数：针刺深度为4mm，针刺密度为40针/cm²。由于本实施例中碳纤维/pe纤维混杂布的碳纤维均为经纱，因此在后期制备c/c复合材料时处理完pe纤维后，碳纤维为单一方向，因此，在本实施例中，将结构单元层依次按照0°/90°交替叠加，以满足平面两个方向的纤维含量，随后进行整体针刺获得薄壁碳纤维预制体。

将薄壁碳纤维预制体置于平板热压机上进行热压，热压温度为120℃，压力为5mpa，时间为5min，随后进行切割修剪至尺寸为800mm×500mm，即获得具有一定刚性的薄壁碳纤维预制体y1。

为了进一步说明该发明方法的优点，采用相同工艺制备的未加入树脂纤维的碳纤维预制体进行弯曲性能和cvi工艺速率对比，其结果如表1所示。

表1

实施例2：

参照图2单元层的最后两层，即3和4层，一种大型薄壁碳纤维预制体y1，该碳纤维针刺预制体为规格500mm×500mm×2mm平板织物，要求碳纤维体积密度为0.10g/cm³。该针刺预制体由8个结构单元层构成，每个结构单元层由1层碳纤维网胎和一层pp膜构成。其中，碳纤维网胎的密度为50g/m²，pp树脂膜的厚度为0.1mm。

按如下步骤制备碳纤维预制体y1：

(1)生产纤维网胎

分布将碳纤维进行短切，碳纤维的短切长度为50mm，再经过开松、梳理、铺网后，形成面密度为50g/m²的混杂纤维网胎；

(2)制备结构单元层

将1层碳纤维网胎和一层pp膜进行叠加，形成结构单元层。由于本实施例中的预制体结构简单，单元层数少，在制备结构单元层时不需要进行单独针刺。

(3)制备针刺预制体

设定工艺参数：针刺深度为2mm，针刺密度为30针/cm²。整体针刺获得薄壁碳纤维预制体。

将薄壁碳纤维预制体置于平板热压机上进行热压，热压温度为150℃，压力为3mpa，时间为2min，随后进行切割修剪至尺寸为500mm×500mm，即获得具有一定刚性的薄壁碳纤维预制体y2。

为了进一步说明该发明方法的优点，采用相同工艺制备的未加入树脂膜的碳纤维预制体进行弯曲性能和cvi工艺速率对比，其结果如表2所示。

表2

实施例3

参照图2，一种大型薄壁碳纤维预制体y3，该碳纤维针刺预制体为圆筒形织物，长度800mm，内径600mm，壁厚2mm，要求碳纤维体积密度为0.80g/cm³。该针刺预制体由4个结构单元层构成，每个结构单元层由2层碳纤维网胎、2层碳纤维单向布和4层pc薄膜构成。其中，碳纤维网胎的密度为100g/m²，碳布的密度为300g/m²，pc薄膜厚度为0.05mm。

按如下步骤制备碳纤维预制体y3：

(1)生产碳纤维布和碳纤维网胎

(1.1)碳布的制备:

以12k的碳纤维纱线为经纱、聚酯线为纬纱捆绑纱，在织布机上织造面密度为300g/m²的碳纤维单向布；

(1.2)碳纤维网胎的制备:

将碳纤维进行短切，碳纤维的短切长度为5mm，再经过开松、梳理、铺网后，形成面密度为100g/m²的碳纤维网胎；

(2)制备结构单元层

设定工艺参数：针刺深度0.5mm，针刺密度为20针/cm²，依次将一层0°碳纤维单向布、一层厚度为0.05mmpc薄膜、一层碳纤维网胎、一层厚度为0.05mmpc薄膜、一层90°碳纤维单向布、一层厚度为0.05mmpc薄膜、一层碳纤维网胎、一层厚度为0.05mmpc薄膜进行叠加，针刺后形成结构单元层。

(3)制备针刺预制体

设定工艺参数：针刺深度为2mm，针刺密度为40针/cm²。所有单元层在弹性回转体模具上进行叠层针刺。

采用模压法对薄壁碳纤维预制体进行定型，膜压温度为200℃，压力为5mpa，时间为5min，随后脱模并进行切割修剪至长度800mm，即获得具有一定刚性的圆筒形薄壁碳纤维预制体y3。

为了进一步说明该发明方法的优点，采用相同工艺制备的未加入树脂膜的碳纤维预制体进行弯曲性能和cvi工艺速率对比，其结果如表3所示。

表3

以上实施方式仅用以说明本发明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发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。