專利名稱：一種可針刺無紡織物及準三維預(yù)制件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種由功能纖維疊層針刺預(yù)制件，尤其是由聚丙烯腈基碳纖維制成的可針刺無紡織物及準三維預(yù)制件。特別適用于隨后直接沉積碳被加工成碳/碳結(jié)構(gòu)材料，例如飛機剎車盤或耐燒蝕碳/碳復(fù)合材料等纖維基體材料。
背景技術(shù)：
功能纖維疊層經(jīng)針刺形成的預(yù)制件，由于其特殊的高溫力學(xué)及熱學(xué)性能，高的高溫強度、耐磨損和耐高溫?zé)g特性，被公認是優(yōu)良的航空器剎車盤、火箭發(fā)動機噴管喉襯用結(jié)構(gòu)材料。
中國專利96121709公開了一種由碳纖維前體聚丙烯腈基預(yù)氧纖維(OPF)，多重疊層針刺形成的準三維預(yù)制件，面層采用層厚8-13mm、由25mm或以下短纖維經(jīng)氣流成網(wǎng)得到面密度為800g/m2的纖維網(wǎng)，中間層為層厚3mm，由三層OPF纖維交向搭接輕度針刺成的長纖維層，上下相鄰層旋轉(zhuǎn)60度疊放，經(jīng)逐層針刺而成。然而由OPF纖維疊層針刺得到的預(yù)制件，首先必須碳化，使纖維變?yōu)樘祭w維(CF)，然而整體預(yù)制件碳化可控性差、難度大，不僅容易發(fā)生纖維蠕動產(chǎn)生應(yīng)力變化，造成預(yù)制件層間變形，整體收縮性大；而且內(nèi)部纖維碳化不易均勻，整體密度均勻性差，強度低，CVD沉積難度大，影響后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量。并且中間層均為長纖維結(jié)構(gòu)，其連接各層的Z向纖維則通過針刺在長纖維層中產(chǎn)生，造成長纖維損傷，而長纖維損傷將影響預(yù)制件層面方向的抗拉強度。
中國專利95191073公開的另一種預(yù)制件，采用疊加厚度基本恒定的纖維層，以獲得體積纖維整體恒定、Z向體積纖維率恒定和層厚恒定的均勻結(jié)構(gòu)。但并未指明各層纖維結(jié)構(gòu)，并且也是由碳纖維前體聚丙烯腈基預(yù)氧纖維制備。
然而有研究表明，當纖維層是由長或連續(xù)單絲制成時，連接各層的Z向纖維較難達到永久性轉(zhuǎn)移，并且纖維長度、纖維卷曲、纖維表面光潔度等也會影響纖維永久性轉(zhuǎn)移。顯然疊層的纖維及疊層結(jié)構(gòu)不同，針刺所形成的預(yù)制件性能會有較大差異。
發(fā)明技術(shù)本發(fā)明目的在于克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種直接由聚丙烯腈基碳纖維制成，且有利針刺形成永久轉(zhuǎn)移的Z向纖維，易于后續(xù)CVD沉積的可針刺無紡織物。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種含上述無紡織物，有利于得到層間剪切強度高，抗脫層好，可直接進入CVD，且CVD過程中整體穩(wěn)定不變形，易滲碳易沉積，可得到高致密度，整體均勻的準三維預(yù)制件。
本發(fā)明第一目的實現(xiàn)，其特征是由短切聚丙烯腈基碳纖維(PANCF)，經(jīng)蒸汽或化學(xué)柔性處理、機械松散、疏理、針刺成面密度為40-120克/米2的薄層無紡織物。本發(fā)明無紡織物，經(jīng)蒸汽或化學(xué)改性處理(如用抗靜電整理劑及柔軟劑處理)后，使得碳纖維變得柔軟，去除靜電，表面毛糙度明顯提高，有利于增強纖維抱和力，使之適于成網(wǎng)，且可針刺性好，易于后續(xù)針刺得到永久轉(zhuǎn)移的Z向纖維。為有利機械松散及疏理成網(wǎng)，本發(fā)明CF纖維長度較好切成50-100mm。為有利于與隨后復(fù)配的長纖維層結(jié)構(gòu)配比，及獲得更好的層間密度，本發(fā)明無紡織物面密度最好為80-120克/米2。
本發(fā)明第二目的實現(xiàn)，主要改進采用上述無紡織物與PANCF纖維單層編織布交替疊合，經(jīng)逐層針刺得到具有準三維結(jié)構(gòu)的預(yù)制件。
本發(fā)明為有利針刺形成較多層間連接的Z向纖維，增強預(yù)制件層間接合力，所說疊層優(yōu)選采用無紡織物與纖維編織布逐層交替，交替疊層又以不等厚為好，其中以纖維編織布層厚大于無紡織物層厚為優(yōu)，有利于得到較高的編織布重量比，無紡織物層厚以0.1-0.4mm為好(針刺后層厚)，纖維編織布層厚以0.3-0.8mm為好(針刺后層厚)。
本發(fā)明預(yù)制件為有效防止預(yù)制件面層纖維向兩邊松散，兩面層最好采用無紡織物封面。
本發(fā)明預(yù)制件纖維編織布疊層添加較好采用旋轉(zhuǎn)交錯鋪設(shè)，有利于均衡預(yù)制件平面方向強度。
本發(fā)明預(yù)制件纖維編織布尤以采用無緯布，有利于Z向纖維轉(zhuǎn)移，提高預(yù)制件Z向強度。
本發(fā)明預(yù)制件為有利增強預(yù)制件整體強度，預(yù)制件中最好使纖維編織布體積重量大于無紡織物，其中尤以纖維編織布體積重量百分比65-90％為優(yōu)，視產(chǎn)品要求而定，如用于燒蝕用碳/碳復(fù)合材料，纖維編織布體積重量比可適當?shù)鸵恍挥糜谔?碳復(fù)合摩擦材料，纖維編織布體積重量應(yīng)高一些。
本發(fā)明預(yù)制件無紡織物面密度較好為40-120克/cm2，用于燒蝕用碳/碳復(fù)合材料，面密度宜高一些；用于碳/碳復(fù)合摩擦材料，面密度宜低一些；本發(fā)明預(yù)制件纖維編織布面密度較好為70-360克/cm2，用于燒蝕用碳/碳復(fù)合材料，面密度宜低一些；用于碳/碳復(fù)合摩擦材料，面密度宜高一些；本發(fā)明預(yù)制件層間密度較好為12-20層/cm，用于燒蝕用碳/碳復(fù)合材料，層間密度可以低一些；用于碳/碳復(fù)合摩擦材料，層間密度應(yīng)高一些；本發(fā)明預(yù)制件體積密度較好為0.4-0.8克/cm3，用于燒蝕用碳/碳復(fù)合材料，體積密度可以低一些；用于碳/碳復(fù)合摩擦材料，體積密度應(yīng)高一些。
本發(fā)明逐層針刺方法，可按通常針刺方式，如以相同針刺步長逐層針刺至所需厚度，無特別要求。
本發(fā)明由于直接采用聚丙烯腈基碳纖維(PANCF)，以及分別制成無紡織物和編織布，逐層交替疊合針刺得到的預(yù)制件，不僅使預(yù)制件可直接進入CVD工藝，大大縮短了碳/碳復(fù)合材料制作工期，而且在CVD過程中眾多的無紡織物層更能沉積較多的碳，且能滲透至每一個層面。相間鋪設(shè)無紡織物更有利于針刺形成層間連接的Z向纖維束，且永久轉(zhuǎn)移性好，預(yù)制件層間結(jié)合力強，不易分層。編織無緯布，更有利于Z向纖維轉(zhuǎn)移，提高預(yù)制件Z向強度，有效防止在高溫滲碳過程中應(yīng)力變化造成纖維層分層，預(yù)制件整體穩(wěn)定，不易變形。本發(fā)明制得的準三維預(yù)制件，具有體積密度均勻，性能穩(wěn)定，整體收縮性小節(jié)省材料，降低成本，易滲碳易沉積，制得的碳/碳復(fù)合材料具有耐摩擦、磨損小，導(dǎo)熱性及抗熱震性好，剪切強度高，離散系數(shù)低，特別適用于制造高性能的飛機剎車盤及耐高溫耐燒蝕件。本發(fā)明碳纖維無紡織物，克服了長期以來人們較難采用碳纖維直接制造無紡織物的技術(shù)難題，可針刺性好，有利于針刺形成永久轉(zhuǎn)移的Z向纖維，特別適用于針刺預(yù)制件的制造，可大大提高預(yù)制件性能。
以下結(jié)合幾個具體實施例，進一步說明本發(fā)明，但實施例不應(yīng)理解為對本發(fā)明的具體限定。
具體實施例方式
實施例1將聚丙烯腈基碳纖維切成長度為60mm短纖維，用紡織抗靜電劑十八烷基二甲基羥乙基季銨硝酸鹽(SN)噴濕表面，放入密閉容器中密封存放22小時左右，使其軟化改性，取出經(jīng)紡織開松機開松呈90％松散度絮狀纖維絨，然后由疏理機疏理成超薄網(wǎng)，通過控制機械行程及頻率往復(fù)鋪設(shè)，經(jīng)針刺定型制得面密度為50克/米2的薄層無紡織物備用。將聚丙烯腈基碳纖維通過編織機編成面密度為200克/米2有緯布。將無紡織物與有緯布逐層交替旋轉(zhuǎn)鋪設(shè)，并使上下面層為無紡織物，按針刺密度25針/cm2，針刺深度為14mm逐層針刺，控制層間密度18層/cm，無紡織物及有緯布層厚分別為0.17mm、0.39mm，得體積密度為0.45克/cm3，長纖維含量為79％的準三維預(yù)制件。此預(yù)制件較適用于碳/碳復(fù)合摩擦材料。
實施例2將聚丙烯腈基碳纖維切成長度為75mm短纖維，將短纖維置入溫室為80℃蒸汽房內(nèi)，用水蒸汽噴濕，保溫密閉5小時左右，使其軟化改性，取出經(jīng)紡織開松機開松呈90％松散度絮狀纖維絨，然后由疏理機疏理成超薄網(wǎng)，通過控制機械行程及頻率往復(fù)鋪設(shè)，經(jīng)針刺定型制得面密度為80克/米2的薄層無紡織物備用。將聚丙烯腈基碳纖維通過編織機編成面密度為240克/米2無緯布。將無紡織物與無緯布逐層交替鋪設(shè)，并使上下面層為無紡織物，按針刺密度30針/cm2，針刺深度為18mm逐層針刺，控制層間密度16層/cm，無紡織物及無緯布層厚分別為0.19mm、0.44mm，得體積密度為0.52克/cm3，長纖維含量為73％的準三維預(yù)制件。此預(yù)制件用于飛機碳剎車盤料。
實施例3按上述方法分別制得面密度為100克/米2的薄層無紡織物，及面密度為360克/米2無緯布。將無紡織物與無緯布逐層交替鋪設(shè)，并使上下面層為無紡織物，按針刺密度20針/cm2，針刺深度為14mm逐層針刺，控制層間密度17層/cm，無紡織物及有緯布層厚分別為0.18mm、0.41mm，得體積密度為0.77克/cm3，長纖維含量為84％的準三維預(yù)制件。此預(yù)制可用于高溫爐內(nèi)層板。
實施例4按上述方法分別制得面密度為120克/米2的薄層無紡織物，及面密度為240克/米2無緯布。將無紡織物與無緯布逐層交替鋪設(shè)，控制層間密度17層/cm，無紡織物及有緯布層厚分別為0.18mm、0.41mm，得體積密度為0.62克/cm3，長纖維含量為65％的準三維預(yù)制件。此預(yù)制可用于高溫發(fā)熱構(gòu)件。
實施例5按上述方法分別制得面密度為40克/米2的薄層無紡織物，及面密度為180克/米2無緯布。將無紡織物與無緯布逐層交替鋪設(shè)，控制層間密度20層/cm，無紡織物及有緯布層厚分別為0.15mm、0.35mm，得體積密度為0.44克/cm3，長纖維含量為81％的準三維預(yù)制件。此預(yù)制可用于人體生物骨架材料。
實施例6按上述方法分別制得面密度為120克/米2的薄層無紡織物，及面密度為240克/米2無緯布。將無紡織物與無緯布逐層交替鋪設(shè)，控制層間密度13層/cm，無紡織物及有緯布層厚分別為0.18mm、0.54mm，得體積密度為0.48克/cm3，長纖維含量為65％的準三維預(yù)制件。用于碳/碳復(fù)合燒蝕材料。
權(quán)利要求
1.一種可針刺無紡織物，其特征是由短切聚丙烯腈基碳纖維，經(jīng)蒸汽或化學(xué)改性處理、機械松散、疏理、針刺成面密度為40-120克/米2的薄層無紡織物。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述可針刺無紡織物，其特征在于所說聚丙烯腈基碳纖維長度為50-100mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述可針刺無紡織物，其特征在于所說無紡織物面密度為80-120克/米2。
4.一種纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說纖維為聚丙烯腈基碳纖維，所說纖維疊層分別為權(quán)利要求1-3所述薄層無紡織物及單層纖維編織布交替疊合逐層針刺。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說疊層為無紡織物與纖維編織布逐層交替。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說疊層纖維編織布旋轉(zhuǎn)交錯鋪設(shè)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說纖維編織布為無緯布。
8.根據(jù)權(quán)利要求4、5、6或7所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說預(yù)制件兩面層為無紡織物。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說交替疊層纖維編織布層厚大于無紡織物。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說無紡織物層厚為0.1-0.4mm。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說纖維編織布層厚為0.3-0.8mm。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于預(yù)制件中纖維編織布體積重量大于無紡織物。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說纖維編織布體積重量百分比為65-90％。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于所說纖維編織布面密度為70-360克/cm2。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于層間密度為12-20層/cm。
16.根據(jù)權(quán)利要求8所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于針刺密度20-35針/cm2。
17.根據(jù)權(quán)利要求8所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于預(yù)制件體積密度為0.4-0.8克/cm3。
18.根據(jù)權(quán)利要求9、10、11、12、13、14、15或16所述纖維疊層針刺準三維預(yù)制件，其特征在于預(yù)制件體積密度為0.4-0.8克/cm3。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種由聚丙烯腈基碳纖維預(yù)制薄層無紡織物及編織布，以及經(jīng)多重交替疊層針刺形成的準三維預(yù)制件，克服了已有采用以長條OPF編織布為主疊層針刺預(yù)制件的缺陷。預(yù)制件層間結(jié)合力強，體積密度均勻，整體穩(wěn)定不變形，不分層，并可直接進入CVD工藝，大大縮短了碳/碳復(fù)合材料制作工期，收縮小，可滲透性好、沉積碳多，制得的碳/碳復(fù)合材料具有耐摩擦、磨損小，導(dǎo)熱性及抗熱震性好，剪切強度高，離散系數(shù)低，特別適用飛機剎車盤或耐燒蝕碳/碳復(fù)合材料等纖維基體材料。
文檔編號D04H1/4242GK1408920SQ0213819
公開日2003年4月9日 申請日期2002年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月27日
發(fā)明者繆云良 申請人:宜興市天鳥高新技術(shù)有限公司