1.本发明属于碳纤维复合材料技术领域，具体涉及一种穿刺预制体的铺层方法。
背景技术：
2.穿刺预制体最早在美国研究开发，我国主要以学校和科研院所为研究主体，对穿刺预制体的专用设备及工艺进行针对性的技术攻克和研究。近年来，随着装备技术进步和工艺技术优化研究，且穿刺预制体具有的耐烧蚀、抗热震性等材料特性，从而被广泛的应用于航空航天领域。随着国家在军工领域的进一步投入，穿刺预制体的市场前景将会进一步扩大。
3.目前，穿刺预制体的常规铺层方法为每次单层铺层，将碳纤维布和碳纤维网胎压入钢针阵列大约5cm，再在钢针阵列上继续铺层并压入钢针阵列，最后将多层碳纤维布和碳纤维网胎统一采用压机压实处理。这种常规铺层方式可以确保每层碳纤维布和碳纤维网胎在钢针阵列中平整无褶皱，但单层铺层的方法效率低。
技术实现要素：
4.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，提供一种穿刺预制体的铺层方法。该方法采用多单元铺层方式，选择碳纤维布和碳纤维网胎铺设针刺形成的复合料制备成不同厚度的单元料，并将单元料按照预设铺层角度放置压实并循环，制备得到穿刺预制体，实现了对穿刺预制体中层数、层厚及层结构的控制，大大提高了制备效率。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种穿刺预制体的铺层方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
6.步骤一、将碳纤维布和碳纤维网胎依次铺设在平板状泡沫垫层上，然后使用手针板对铺设的碳纤维布和碳纤维网胎进行预针刺，得到复合料；所述预针刺的方向与平板状泡沫垫层的上表面垂直，预针刺的密度为0.2 针/cm2～0.3针/cm2；
7.步骤二、将2个以上步骤一中得到的复合料铺设在平板状泡沫垫层上，然后使用手针板进行针刺，得到铺层料；所述复合料均按照碳纤维网胎位于碳纤维布上方的方式进行铺设，所述针刺的密度为0.2针/cm2～0.3针 /cm2；
8.步骤三、将步骤二中得到铺层料放置在钢针阵列上并采用压机压实，然后重复步骤一中的复合料制备工艺、步骤二中的铺层料制备工艺，并继续将铺层料放置于步骤三中铺层料上压实的工艺，直至得到穿刺预制体。
9.本发明先将碳纤维布和碳纤维网胎依次铺设后进行预针刺得到复合料，通常为一层碳纤维布和一层碳纤维网胎，然后将复合料铺设后进行针刺得到铺层料，再将铺层料作为单元铺料放置在钢针阵列上压实，并重复上述工艺，得到穿刺预制体。与现有技术相比，本发明预先制备复合料层，然后选择一定数量的复合料制备不同厚度的铺料层即单元料，实现了对穿刺预制体中层数及厚度的控制，同时结合将单元料按照预设铺层角度放置并压实，实现了对穿刺预制体中层结构的控制，且可采用单个或多个单元料进行重复循环整体
铺层，大大提高了制备效率。
10.上述的一种穿刺预制体的铺层方法，其特征在于，步骤一中所述碳纤维布为无纬布或缎纹布。通常，本发明会根据穿刺预制体的技术要求，对碳纤维布和碳纤维网胎的单位厚度内的层数和面密度进行计算选择，进而决定了穿刺预制体的体积密度和结构强度。本发明采用无纬布或缎纹布作为碳纤维布，满足了穿刺预制体不同环境下的使用需求。
11.上述的一种穿刺预制体的铺层方法，其特征在于，步骤二中所述复合料沿平板状泡沫垫层表面并依次按照0
°
、90
°
的方向偏移或依次按照0
ꢀ°
、120
°
、240
°
的方向偏移进行叠层铺设。上述角度方向偏移的铺设方法一方面保证了穿刺预制体具有更好的多向结构强度，另一方面保证了穿刺预制体内碳纤维的均匀性，使得穿刺预制体具有更好的结构强度。
12.上述的一种穿刺预制体的铺层方法，其特征在于，步骤三中所述钢针阵列的排列间距为2.0mm
×
2.0mm或2.4mm
×
2.4mm，所述穿刺预制体的体积密度为0.75g/cm3以上。该钢针排列间距保证了后续钢针被置换后z向碳纤维的分布密度，进一步提升了穿刺预制体的结构强度，而较小的钢针排列间距不利于穿刺预制体的制备，因此钢针的排列间距通常设定为 2.0mm
×
2.0mm或2.4mm
×
2.4mm。而穿刺预制体的体积密度主要取决于单位厚度内碳纤维布和碳纤维网胎的层数，层数越多，穿刺预制体的体积密度越高，结构强度也越好，但较高的体积密度不利于z向钢针的置换，因此穿刺预制体的体积密度通常为0.75g/cm3以上。
13.上述的一种穿刺预制体的铺层方法，其特征在于，步骤三中所述穿刺预制体的形状为圆柱体、长方体或正方体。本发明采用压机实现了多层碳纤维布和碳纤维网胎的压实处理，且后续工艺中将z向的钢针置换为碳纤维，该工艺决定了预制体的形状为圆柱体、长方体或正方体，满足了常规使用的需求。
14.上述的一种穿刺预制体的铺层方法，其特征在于，将步骤三中所述铺层料的上表面沿垂直于钢针阵列的方向进行放置。该放置方法确保了最终置换钢针的碳纤维垂直于碳纤维布和碳纤维网胎，进而保证了穿刺预制体具有较高的结构强度。
15.上述的一种穿刺预制体的铺层方法，其特征在于，步骤三中所述重复工艺和继续压实工艺结束后，采用碳纤维置换钢针得到穿刺预制体。该置换方法确保了穿刺预制体在x、y、z三向上均具有完整的碳纤维，进一步保证了穿刺预制体具有较高的结构强度。
16.本发明与现有技术相比具有以下优点：
17.1、本发明采用多单元铺层方式，选择碳纤维布和碳纤维网胎铺设针刺形成的复合料制备成不同厚度的单元料，并将单元料按照预设铺层角度放置压实并循环，制备得到穿刺预制体，实现了对穿刺预制体中层数、层厚及层结构的控制，大大提高了制备效率。
18.2、相较于常规逐层铺层制备的穿刺预制体，本发明采用预制的单元料进行铺层制备，直接选择不同厚度的单元料铺设制备得到穿刺预制体，工艺简单，灵活方便，提高了铺层效率，节省了人力成本。
19.3、相较于致密化后的逐层铺层制备的穿刺预制体，本发明的穿刺预制体经后续化学气相沉积致密工艺后，两者在性能上并无明显差异。
20.4、本发明的方法操作简单，生产连续性强，且各纤维铺层均匀，铺设过程容易控制。
21.5、本发明的制备方法适用范围广，可以广泛应用于各类穿刺预制体中。
22.下面通过实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
具体实施方式
23.实施例1
24.本实施例包括以下步骤：
25.步骤一、将面密度为240g/m2的t300 3k 8枚碳纤维缎纹布铺设于平板状泡沫垫层上，然后将一层面密度为60g/m2的t700短切碳纤维网胎铺设在碳纤维缎纹布上，再使用手针板对铺设的碳纤维缎纹布和碳纤维网胎进行预针刺，得到复合料；所述预针刺的方向与平板状泡沫垫层的上表面垂直，预针刺的密度为0.2针/cm2；
26.步骤二、将4个步骤一中得到的复合料沿平板状泡沫垫层表面并依次按照0
°
、90
°
的方向偏移进行交替叠层铺设于平板状泡沫垫层上，然后使用手针板进行针刺，得到铺层料；所述复合料均按照碳纤维网胎位于碳纤维布上方的方式进行铺设，所述针刺的密度为0.2针/cm2；
27.步骤三、将步骤二中得到铺层料放置在钢针阵列上并采用压机压实，然后重复步骤一中的复合料制备工艺、步骤二中的铺层料制备工艺，并继续将铺层料放置于步骤三中铺层料上压实的工艺，直至达到预设高度，再采用碳纤维置换钢针，得到体积密度为0.78g/cm3的长方体穿刺预制体；所述铺层料的上表面均沿垂直于钢针阵列的方向进行放置，钢针阵列的排列间距为2.0mm
×
2.0mm。
28.实施例2
29.本实施例包括以下步骤：
30.步骤一、将面密度为240g/m2的t700 12k碳纤维无纬布铺设于平板状泡沫垫层上，然后将一层面密度为60g/m2的t700短切碳纤维网胎铺设在碳纤维无纬布上，再使用手针板对铺设的碳纤维无纬布和碳纤维网胎进行预针刺，得到复合料；所述预针刺的方向与平板状泡沫垫层的上表面垂直，预针刺的密度为0.2针/cm2；
31.步骤二、将4个步骤一中得到的复合料沿平板状泡沫垫层表面并依次按照0
°
、90
°
的方向偏移进行交替叠层铺设于平板状泡沫垫层上，然后使用手针板进行针刺，得到铺层料；所述复合料均按照碳纤维网胎位于碳纤维布上方的方式进行铺设，所述针刺的密度为0.2针/cm2；
32.步骤三、将步骤二中得到铺层料放置在钢针阵列上并采用压机压实，然后重复步骤一中的复合料制备工艺、步骤二中的铺层料制备工艺，并继续将铺层料放置于步骤三中铺层料上压实的工艺，直至达到预设高度，再采用碳纤维置换钢针，得到体积密度为0.81g/cm3的正方体穿刺预制体；所述铺层料的上表面均沿垂直于钢针阵列的方向进行放置，钢针阵列的排列间距为2.0mm
×
2.0mm。
33.实施例3
34.本实施例包括以下步骤：
35.步骤一、将面密度为240g/m2的t700 12k碳纤维无纬布铺设于平板状泡沫垫层上，然后将一层面密度为60g/m2的t700短切碳纤维网胎铺设在碳纤维无纬布上，再使用手针板对铺设的碳纤维无纬布和碳纤维网胎进行预针刺，得到复合料；所述预针刺的方向与平板状泡沫垫层的上表面垂直，预针刺的密度为0.3针/cm2；
36.步骤二、将3个步骤一中得到的复合料沿平板状泡沫垫层表面并依次按照0
°
、120
°
、240
°
的方向偏移进行交替叠层铺设于平板状泡沫垫层上，然后使用手针板进行针刺，得到铺层料；所述复合料均按照碳纤维网胎位于碳纤维布上方的方式进行铺设，所述针刺的密度为0.3针/cm2；
37.步骤三、将步骤二中得到铺层料放置在钢针阵列上并采用压机压实，然后重复步骤一中的复合料制备工艺、步骤二中的铺层料制备工艺，并继续将铺层料放置于步骤三中铺层料上压实的工艺，直至达到预设高度，再采用碳纤维置换钢针，得到体积密度为0.80g/cm3的圆柱体穿刺预制体；所述铺层料的上表面均沿垂直于钢针阵列的方向进行放置，钢针阵列的排列间距为2.4mm
×
2.4mm。
38.实施例4
39.本实施例包括以下步骤：
40.步骤一、将面密度为280g/m2的t300 3k 8枚碳纤维缎纹布铺设于平板状泡沫垫层上，然后将一层面密度为60g/m2的t700短切碳纤维网胎铺设在碳纤维缎纹布上，再使用手针板对铺设的碳纤维缎纹布和碳纤维网胎进行预针刺，得到复合料；所述预针刺的方向与平板状泡沫垫层的上表面垂直，预针刺的密度为0.2针/cm2；
41.步骤二、将2个步骤一中得到的复合料沿平板状泡沫垫层表面并依次按照0
°
、90
°
的方向偏移进行交替叠层铺设于平板状泡沫垫层上，然后使用手针板进行针刺，得到铺层料；所述复合料均按照碳纤维网胎位于碳纤维布上方的方式进行铺设，所述针刺的密度为0.2针/cm2；
42.步骤三、将步骤二中得到铺层料放置在钢针阵列上并采用压机压实，然后重复步骤一中的复合料制备工艺、步骤二中的铺层料制备工艺，并继续将铺层料放置于步骤三中铺层料上压实的工艺，直至达到预设高度，再采用碳纤维置换钢针，得到体积密度为0.77g/cm3的长方体穿刺预制体；所述铺层料的上表面均沿垂直于钢针阵列的方向进行放置，钢针阵列的排列间距为2.4mm
×
2.4mm。
43.实施例5
44.本实施例包括以下步骤：
45.步骤一、将面密度为270g/m2的t300 3k 5枚碳纤维缎纹布铺设于平板状泡沫垫层上，然后将一层面密度为30g/m2的t700短切碳纤维网胎铺设在碳纤维缎纹布上，再使用手针板对铺设的碳纤维缎纹布和碳纤维网胎进行预针刺，得到复合料；所述预针刺的方向与平板状泡沫垫层的上表面垂直，预针刺的密度为0.2针/cm2；
46.步骤二、将4个步骤一中得到的复合料沿平板状泡沫垫层表面并依次按照0
°
、90
°
的方向偏移进行交替叠层铺设于平板状泡沫垫层上，然后使用手针板进行针刺，得到铺层料；所述复合料均按照碳纤维网胎位于碳纤维布上方的方式进行铺设，所述针刺的密度为0.2针/cm2；
47.步骤三、将步骤二中得到铺层料放置在钢针阵列上并采用压机压实，然后重复步骤一中的复合料制备工艺、步骤二中的铺层料制备工艺，并继续将铺层料放置于步骤三中铺层料上压实的工艺，直至达到预设高度，再采用碳纤维置换钢针，得到体积密度为0.83g/cm3的长方体穿刺预制体；所述铺层料的上表面均沿垂直于钢针阵列的方向进行放置，钢针阵列的排列间距为2.0mm
×
2.0mm。
48.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。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、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。