[发明专利]一种针刺预氧丝预制体的制备和碳化方法

说明书

(一)技术领域

本发明涉及一种针刺预氧丝预制体的制备和碳化方法，属于炭基复合材料预制体制备技术领域。

(二)背景技术

炭纤维增强炭基复合材料由于其独特的高温力学、热物理和摩擦磨损性能，广泛应用于航空航天等尖端技术领域。预制体的结构和性能对于炭基复合材料的最终性能有着重要的影响。目前炭基复合材料预制体的成型技术主要有三种类型：炭布或针刺薄毡叠层、针刺炭纤维(预氧丝)准三向整体结构和短纤维树脂模压成型。英国Dunlop公司采用预氧丝针刺薄毡叠层成型技术，预制体中间是连续预氧丝，两侧为短预氧化丝网胎针刺成薄纤维片，然后将薄纤维片按角度叠层。法国SEP公司采用针刺聚丙烯腈(PAN)预氧丝的Novoltex织物或针刺炭纤维整体毡预制体成型技术，PAN预氧丝连续纤维按规定角度铺层，在垂直方向用倒钩针进行针刺，当倒钩针向下运动时，其针钩将上层纤维带下去形成轴向增强纤维，将各层纤维连成准三向的整体结构。美国ALS公司采用短纤维树脂模压成型技术制备预制体，炭纤维不连续，并随机取向，其最大弱点是力学性能偏低，使用寿命较短，90年代后就失去了市场优势。我国预制体制备主要采用针刺炭纤维准三向整体毡技术，其主要特点是预制体平整、质地均匀，力学性能高，但在成网、无纬布的铺设、针刺工艺方面还存在缺陷。

目前，国外预制体的制备主要采用预氧丝作为原料，而我国主要采用炭纤维。针刺技术是目前国内外广泛采用的预制体制备技术，它很好的解决了炭盘z向性能差的缺点。由于采用炭纤维作针刺毡容易导致纤维断裂以及断针，制备工艺复杂且成本高，而预氧丝的模量低，在针刺过程中不容易断丝，因此采用预氧丝作为预制体的原料已成为高性能炭基复合材料制备的主要趋势。

(三)发明内容

1、目的：本发明的目的是提供一种针刺预氧丝预制体的制备和碳化方法，它突破国内制备炭基复合材料预制体主要采用炭纤维的限制，提供一种采用预氧丝制备炭基复合材料预制体和预氧丝预制体碳化新技术，它简化了制备工序，降低了炭基复合材料预制体的制备成本，制备的预制体能够很好的满足制备高性能炭基复合材料的需要。

2、技术方案：本发明一种针刺预氧丝预制体的制备和碳化方法，其碳化设备如图1所示。实施过程主要包括下列步骤：

步骤一：预制体的制备：选择长预氧丝铺成无纬布，短切预氧丝铺成网胎，一层无纬布一层网胎相叠层，相邻两层无纬布呈90°夹角，然后逐层针刺制成预氧丝准三维预制体。

步骤二：预制体的碳化：将预制体用石墨板固定，装入碳化炉内，关闭气体阀门8和13，开启气体阀门11，打开真空泵抽真空至-0.1MPa后，关闭气体阀门11，打开气体阀门8，通入高纯氮气至0.1MPa，然后按一定速率程序升温碳化，待温度达到设定温度后，常压氮气保护自然冷却室温。

其中，步骤一中所述预氧丝的丝束可以为3k、6k、12k、24k、48k。

其中，步骤一中所述短切预氧丝的长度为30mm。

其中，步骤一中所述预氧丝的密度为1.30～1.40g/cm³。

其中，步骤一中所述针刺，其针刺密度为30～40针/cm³。

其中，步骤一中所述预氧丝铺成无纬布和短切预氧丝铺成网胎，其铺成的层间密度为10～20层/cm。

其中，步骤二中所述通入高纯氮气，其氮气的纯度大于99.9％，氮气的流量为100L/h

其中，步骤二中所述按一定速率程序升温碳化，其升温速率为：室温～200℃之间的升温速率为30℃/h～35℃/h；200℃～350℃之间的升温速率为8℃/h～10℃/h；350℃～400℃之间的升温速率为1℃/h～3℃/h；400℃～600℃之间的升温速率为3℃/h～8℃/h；600℃～650℃之间的升温速率为1℃/h～3℃/h；650℃～1000℃之间的升温速率为25℃/h～35℃/h；1000℃保温4h，然后氮气保护自然冷却至室温。

3、优点及功效：本发明与现有技术相比，其优点及功效在于：

(1)本发明采用预氧丝做炭基复合材料预制体，很好的解决了目前用炭纤维做预制体针刺过程中容易断针和断丝等问题。

(2)预氧丝的价格低于炭纤维，采用预氧丝做预制体降低了预制体的制备成本。

(3)预氧丝制备的预制体表面平整，预制体经过化学气相渗积制成炭基复合材料后，摩擦磨损性能好于炭纤维预制体制备的炭基复合材料，且材料性能稳定。

(四)附图说明

图1为本发明实施设备的结构示意图

附图标记说明