一种汽车制动盘的碳纤维预制体的编织方法与流程

本发明涉及一种汽车制动盘的碳纤维预制体的编织方法，属于碳纤维复合材料增强体编织技术领域。

背景技术：

汽车碳/陶制动盘，是目前市场上最新的汽车制动材料。碳/陶盘属于碳纤维增强陶瓷基复合材料，复合材料由基体、界面和增强体三部分组成，纤维预制体属于复合材料的增强体部分，其对材料的性能具有决定性的影响。碳纤维的排列编织方式对材料的力学性能、热物理性能以及摩擦磨损性能均会产生影响。不同的编织方式对产品的成本和安全性能也会产生影响。

随着汽车碳/陶制动盘应用不断普及，对制动盘成本的降低、摩擦面的美观程度以及产品的安全性都提出了更高的要求。目前，汽车碳/陶制动盘主要有两种类型：短切纤维模压和长纤维三维针刺。其中短切纤维模压制动盘力学性能差、导热差难以满足使用要求，而长纤维三维针刺方式纤维浪费过多，摩擦面物相不均匀，美观度较差。因此为降低长纤碳/陶盘成本，提高产品美观度和提升安全性能需对碳纤维预制体内部纤维排布方式进行重新规划和排布，进一步改进刹车盘预制体的编织方式。

中国专利申请cn102152555a公开了一种“制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法”，主要在常温常压下采用聚丙烯晴长丝和一层聚丙烯晴预氧丝网胎上下重叠平铺形成“1+1结构”，用针刺机经垂直针刺固定成长卷形“毡体”，而后裁剪形成四个半圆，通过采用角度错位层层堆叠至一定厚度经针刺而成，具有以下缺点：纤维经裁剪后，仍然存在一定程度的浪费；每一层经四个裁剪半圆拼接而成，所形成刹车盘预制体强度会明显下降；刹车盘盘面存在聚丙烯晴长纤层和网胎层，层与层之间物相存在明显差异，影响摩擦性能；盘面垂直方向纤维含量少且为短纤维，导热率低，盘面温度降低较慢。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提出一种汽车制动盘的碳纤维预制体的编织方法，结构更安全，纤维浪费量更少、能保证产品厚度方向热导率更高、材料内部物相更均匀、摩擦面更光洁美观。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种汽车制动盘的碳纤维预制体的编织方法，包括以下步骤：

(1)制备碳纤维平纹布；

(2)制备碳纤维网胎；

(3)将步骤(1)的碳纤维平纹布和步骤(2)的碳纤维网胎缝制在一起，形成一层平纹-网胎布；

(4)将步骤(3)得到的平纹-网胎布沿石墨套筒环向缠绕多圈，每缠绕一圈环向针刺一遍，直至达到碳纤维预制体的尺寸要求(根据需要采用的石墨套筒不同，其最后得到的碳纤维预制体的尺寸会有差别，如外径可以为392mm、404mm等，范围在200～800mm之间)，形成碳纤维预制体，其中，石墨套筒的高度与平纹-网胎布的宽度一致，缠绕时，平纹-网胎布直接包裹于石墨套筒外围；

所述碳纤维预制体中碳纤维平纹布的重量百分比为≥67％，碳纤维网胎的重量百分比为≤33％，碳纤维平纹布的含量高保证材料的整体力学性能，适当的网胎含量可提高材料整体增密速率和沉积密度均匀性，同时可降低纤维预制体成本。

优选的，步骤(1)中，碳纤维平纹布由日本东邦hts40-3k碳纤维丝制备而成，日本东邦hts40-3k碳纤维丝为无捻聚丙烯晴长碳纤维丝，制备过程为经向碳纤维和纬向碳纤维每隔一束丝交织一次，形成平纹相组织，得到碳纤维平纹布。本发明中，碳纤维平纹布的碳纤维牌号种类也可选用t300、t700、t800、t1000及其他具有相同强度等级的碳纤维；碳纤维平纹布也可以根据情况选择碳纤维预浸布，以及采用不同纤维丝束含量的平纹布和预浸布等。

优选的，步骤(2)中，碳纤维网胎采用日本东丽t700sc-12000-50c无捻聚丙烯晴短切碳纤维制备而成，短切碳纤维长度优选为30～100mm，碳纤维网胎也可选用其他纤维牌号种类、纤维长度也可适当变化，均不影响本发明的实施。

优选的，碳纤维网胎的制备过程为将日本东丽t700sc-12000-50c无捻聚丙烯晴短切碳纤维通过开松梳理一次成型形成短纤维网胎布，密度为0.15～0.20g/cm³，此处的开松过程可使用开松机进行，具体的开松梳理方式与棉花开松梳理方式一样，属于现有技术，此处不再赘述。

优选的，步骤(3)中，碳纤维平纹布和碳纤维网胎经缝纫机通过长纤维缝制结合形成一层平纹-网胎布，值得注意的是，本发明也可采用机械加固法，如针刺法、缝编法、水刺法等，或者采用化学粘合法，如浸渍法、溶剂粘合法等，将平纹布和网胎合成一体。

优选的，步骤(4)中的针带倒钩，将平纹-网胎布沿石墨套筒外径围绕拉紧，石墨套筒通过定速旋转电机带动根据平纹-网胎布方向进行顺时针方向或逆时针方向旋转，每旋转1°，从侧面采用带倒钩的针刺一遍，针刺密度为5～30针/cm²，碳纤维预制体沿径向层间密度为10～25层/cm，最终的碳纤维预制体的体积密度为0.2～1.0g/cm³。

本发明中，针刺密度、层间密度、预制体体积密度等可以根据实际要求作适当调整，如针刺密度改变时可以在单位面积上降低或提高针刺密度，层间密度提高或降低，通过改变针刺密度和层间密度，纤维预制体的体积密度随之改变。

优选的，此处的石墨套筒可以也可以为金属套筒或陶瓷套筒等。

优选的，所述碳纤维预制体呈圆环状，外径为200～800mm，内径为100～200mm，厚度为20～100mm，此处的厚度为上下面之间的厚度。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用环形编织针刺工艺，可以直接按目前碳纤维预制体盘号规格进行编织，本发明采用三维侧面缠绕针刺，不需要像三维针刺编织方式需通过方板裁去四周和内圆，大大减少了纤维的浪费量。

2)采用碳纤维平纹布实现了盘两面通过长纤维直接导通，提高了盘面和盘内部热库的导通性，长纤维导热效率更高，摩擦面散热降温更快，摩擦性能更稳定。环形编织也提高了整个摩擦面物相的均匀性，降低制动盘磨损。侧面由长纤维包裹，制动盘的整体力学性能更好，层间剪切强度更高，抵抗旋转爆裂的能力更强，完全满足汽车制动盘纤维预制体的工艺技术要求。

综上，本发明提供了一种结构更安全，纤维浪费量更少、能保证产品厚度方向热导率更高、材料内部物相更均匀、摩擦面更光洁美观的新型碳纤维预制体的编织方法，采用本发明的编织方式，克服了传统短切纤维力学性能安全性差、厚度方向导热差以及传统长纤纤维浪费量高、原材料成本高和摩擦面物相均匀性差等缺点，提出了汽车碳/陶刹车盘的新型编织工艺，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的石墨套筒的一种结构示意图；

图2为本发明的碳纤维平纹布的平纹相组织结构示意图；

图3为短切碳纤维梳理后的状态示意图；

图4为平纹-网胎布的针刺过程示意图；

图5为对比例1中的三维针刺碳纤维预制体的结构示意图。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种汽车制动盘的碳纤维预制体的编织方法，所制备的碳纤维预制体呈圆环状，外径392mm，内径143mm，上下面之间的厚度为43mm，其编制方法包括：

(1)制备碳纤维平纹布；碳纤维平纹布由日本东邦hts40-3k碳纤维丝制备而成，日本东邦hts40-3k碳纤维丝为无捻聚丙烯晴长碳纤维丝，制备过程为经向碳纤维和纬向碳纤维每隔一束丝交织一次，形成平纹相组织，如图2所示，得到碳纤维平纹布；

(2)制备碳纤维网胎；碳纤维网胎采用日本东丽t700sc-12000-50c无捻聚丙烯晴短切碳纤维制备而成，短切碳纤维长度为60～70mm；

碳纤维网胎的制备过程为将日本东丽t700sc-12000-50c无捻聚丙烯晴短切碳纤维通过开松梳理一次成型形成短纤维网胎布，密度为0.15～0.20g/cm³，此处的开松过程使用开松机进行，短切碳纤维梳理后的状态如图3所示。

(3)将步骤(1)的碳纤维平纹布和步骤(2)的碳纤维网胎经缝纫机通过长纤维缝制结合在一起，形成一层平纹-网胎布；

(4)将步骤(3)得到的平纹-网胎布沿石墨套筒环向缠绕多圈，每缠绕一圈环向针刺一遍，针带倒钩，将平纹-网胎布沿石墨套筒外径围绕拉紧，石墨套筒每旋转1°，从侧面采用带倒钩的针刺一遍，针刺密度为15～20针/cm²，碳纤维预制体沿径向层间密度为17～18层/cm，最终的碳纤维预制体的体积密度为0.43～0.47g/cm³，针刺过程示意图如图4所示，直至达到碳纤维预制体的尺寸要求，形成碳纤维预制体，其中，石墨套筒的高度与平纹-网胎布的宽度一致，缠绕时，平纹-网胎布直接包裹于石墨套筒外围，石墨套筒结构如图1所示；

所述碳纤维预制体中碳纤维平纹布的重量百分比70％，碳纤维网胎的重量百分比为≤30％。

对比例1：

一种长纤维三维针刺预制体，将碳纤维制成短纤维胎网和无纬布，然后将单层0°无纬布、胎网、90°无纬布、胎网依次循环铺层，然后利用棱边带下倒钩刺的针对无纬布和胎网进行针刺。倒钩刺在针刺过程中将胎网层纤维带向垂直方向，使无纬布和胎网连成一体，针刺孔密度为8～12个/cm2。根据需要的厚度，经反复叠层、针刺后得到三维针刺碳纤维预制体(示意图如图5所示)。预制体密度约为0.45g/cm3，碳纤维的体积含量约为40vol.％，层密度约为14层/(10mm)。

对比例2：

中国专利申请cn102152555a公开的一种“制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法”中具体实施方式所得到的制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体。

对实施例1、对比例1及对比例2得到的预制体在相同条件下进行数据对比，得到如下结果：

表1：性能对比表

从表1可以看出，本发明的汽车制动盘的碳纤维预制体的编织方法得到的预制体，纤维浪费量可降低为零，垂直于摩擦面热量导通性明显提高，整体力学性能提高，层间剪切强度提高，抵抗旋转爆裂能力明显增强。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。