[发明专利]一种高层密扁平碳纤维梯度缝合预制体及制备方法

说明书

本发明公开了一种高层密扁平碳纤维梯度缝合预制体及制备方法，属于装备材料领域。本发明采用扁平碳纤维束，并将其织造成轻薄单层扁平碳纤维平面预制体，之后通过梯度叠层和缝接实现扁平碳纤维梯度缝合预制体的制备，以满足高层密、高承载、强层间和低缝合损伤的要求，彻底解决后续碳/碳复合材料孔隙高、成本高、周期长、加工频繁和力学性能保留率低的问题。

技术领域

本发明涉及一种高层密扁平碳纤维梯度缝合预制体及制备方法，属于装备材料领域。

背景技术

实现碳纤维增强碳基(碳/碳)复合材料结构致密化和承载性能是提升空天装备热承载复合材料一体化特性的重要技术方向。其中，连续碳纤维预制体的微细孔结构设计和构造起着至关重要的作用。

目前，受限于织造工艺，用于碳/碳复合材料的预制体多为均一结构、均一参数和均一孔隙，主要包括三维编织、三维角联锁、三维正交、细编穿刺、针刺毡等。通常，选用化学气相渗透工艺(CVI)作为碳/碳复合材料增密的首选工艺，其具体步骤为：将碳纤维预制体置于专用高温炉，加热至指定温度并通入碳源气，之后这些气体将在碳纤维预制体上沉积碳来填充预制体的孔隙。然而，沉积碳往往将碳纤维束及预制体表面孔隙堵塞，这就需要不断打磨和加工碳/碳复合材料表面，增加沉积次数，形成最终碳/碳复合材料。如此，由传统碳纤维预制体增强碳基复合材料不仅制造周期长、成本高和力学性能降低，且由于纤维束单丝抱和紧，导致碳纤维束内孔隙率较高、层密低和纤维体积含量低，导致无法满足苛刻热防护和高承载的服役要求。

发明内容

[技术问题]

目前，制备碳/碳复合材料预制体的方法周期长、成本高，且纤维束内孔隙率较高，纤维体积含量低，导致复合材料力学性能降低。

[技术方案]

为了解决上述问题，本发明采用扁平碳纤维束，并将其织造成轻薄单层扁平碳纤维平面预制体，之后通过梯度叠层和缝接实现扁平碳纤维梯度缝合预制体的制备，以满足高层密、高承载、强层间和低缝合损伤的要求，彻底解决后续碳/碳复合材料孔隙高、成本高、周期长、加工频繁和力学性能保留率低的问题。

本发明的第一个目的是提供一种制备高层密扁平碳纤维梯度缝合预制体的方法，包括如下步骤：

(1)按照厚度方向孔隙梯度设计要求，调整单层扁平碳纤维平面预制体的结构参数，形成不同孔隙大小的单层扁平碳纤维平面预制体；

(2)将步骤(1)的不同孔隙大小的单层扁平碳纤维平面预制体按照梯度孔隙设计要求进行叠加，放入缝合模具中，加入定型剂，合模，放入模压机预热、加压后，取出，缝合，得到所述的高层密扁平碳纤维梯度缝合预制体。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的单层扁平碳纤维平面预制体的结构为平纹、斜纹或缎纹中的一种。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的单层扁平碳纤维平面预制体由扁平碳纤维织造而成，其中，所述的扁平碳纤维通过气流、机械或超声波振动展宽工艺的至少一种方法制备得到；所述的碳纤维束细度为3K-12K，进一步优选为12K；所述的扁平碳纤维的宽度为5mm-25mm。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的单层扁平碳纤维平面预制体的厚度为0.05mm-0.25mm；面密度为40g/cm²-200g/cm²。

在本发明的一种实施方式中，步骤(1)所述的单层扁平碳纤维平面预制体的经纱密度或纬纱密度均为0.5根/cm-2根/cm，相邻经纱或相邻纬纱孔隙均为0.1mm-2.0mm。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中叠加的单层碳纤维梯度缝合预制体的相邻层间距为0.05mm-0.12mm。

在本发明的一种实施方式中，步骤(2)中叠加的层数为2层-100层。