[发明专利]环状纤维预制件及其制备方法

说明书

 

技术领域

本发明涉及摩擦材料技术领域，尤其是一种纤维预制件，如飞机碳/碳刹车盘用环状纤维预制件，也可以用于高速列车、高级汽车等摩擦材料预制件。

背景技术

刹车盘，现有技术一般采用由碳基体和预氧化纤维增强或碳纤维增强复合制备，相比于以前的粉末冶金材料制备的刹车盘，具有机械性能好、热库性能强、摩擦性能优异、产品可设计性强等优点。生产复合材料刹车盘首要是制备出结构性能优异且易于后期基体增密的环形纤维预制件。

现有技术公开了一种通过圆式针刺台针刺叠置环形层获得的环状纤维预制件，其中环形层是由无纬织物上切割长纤维呈径向及切线方向分布的两种扇形单元交错拼接成（US5323523，US5705264，US4955123），该方法材料损失比从完整的方形或圆形件上进行切割要少，但其提供的切割方式带来的损耗仍然不可忽视。以上发明中两种类型扇形部分交错叠置，面内和层间均匀一致性差，且当扇形单元拼接数量为奇数时，预制体平面内势必出现不均匀的两种纤维连接结构，破坏预制件的整体一致性，最终影响摩擦材料的稳定性；同时，制动力切线方向长纤维含量少而不均匀，经C/C复合后摩擦材料的耐磨损及抗振性差；还可以明显看出，发明中扇形单元采用搭接的方式，该方案易造成面内和层间的不均匀，搭接处相较之下密实且层厚，堵塞了后期碳基体沉积通道，加大了复合工艺控制难度，使复合后摩擦材料内部存在明显的性能差异，工作稳定性差，且单层扇形单元数量越多，预制件厚度越大，差异越明显越突出，整体结构及性能越难控制。

已报道的另一种常见制备方法是由纤维织物叠合经针刺连接后裁切成环状纤维预制件（美国专利US5869411、中国专利96121709、95191073及CN02138191.7），但上述方法成型的环状纤维预制件均需按照使用形状和尺寸去除材料，这使得原材料的有效利用率仅为30%-55%，造成材料的严重浪费；且碳纤维采用0°/90⁰纤维叠置，在制动力切线方向转动面上长纤维量相对较少，影响产品质量的一致性和稳定性。

另外，采用预氧化纤维制备环形纤维预制件是目前公开的、较成熟工艺（CN101575766、CN1945048、CN101503844、CN02138191.7），其优势在于其纺织操作性强，制成短纤维薄毡与长纤维织物交替铺层针刺获得一定预期特征的预制件。然而，该技术有一些缺点。首先，以上方法也需去除材料获得环状纤维预制件，材料利用率低；其次，预氧化纤维需施加张力碳化才能获得较好的强度，但与碳纤维的力学特征相比显著降低并显示出更广泛的分散作用，且预氧化纤维预制件碳化变形较大，与碳纤维组合使用时，由于两者具有不同的热膨胀系数使得后续高温碳化过程造成内应力分布不均匀，增加了工艺控制难度，影响材料的使用性能。

上述不足仍有值得改进的地方。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种环状纤维预制件，该预制件整体均匀性好，结构稳定，具有纤维含量高、力学性能优异、原材料利用率高等优点，经C/C复合后复合材料的摩擦性能提高，综合性能优良。

还提出了上述环状纤维预制件的制备方法，有效消除了扇形拼接纤维织物后期针刺变形错位的现象，克服了扇形纤维织物搭接方式引起的经C/C复合后摩擦材料结构稳定性差的不足，提高了预制件面内及层间的均匀一致性，整体结构稳定、性能优良。

为了实现上述发明第一目的，本发明提供以下技术方案：一种环状纤维预制件，该预制件是由环状单元叠置针刺成型的准三维立体织物，环状单元为由环状的纤维织物与环状的纤维网胎经预针刺定型的环状复合织物，或为该环状复合织物与环状的纤维网胎叠置针刺构成环状物；环状纤维网胎由短切纤维薄毡或短切预氧化纤维薄毡制成。

进一步地，环状纤维织物由2～6个相同扇形的纤维织物拼接构成。

进一步地，环状复合织物中长纤维含量为50%～90%。

进一步地，纤维织物的面密度为120～450g/m²，纤维规格为50K、48K、24K、12K、6K、3K、1K。

进一步地，短切碳纤维薄毡或短切预氧化纤维薄毡的面密度为20～300g/m²，纤维规格为320K、50K、48K、24K、12K。 

进一步地，该环状纤维预制件层间密度为10～18层/cm，长纤维含量为45～85%。

进一步地，该预制件体积密度为0.35～0.70g/cm³。