[发明专利]一种高性能碳纤维针刺预制体及其制备方法

说明书

本发明公开一种高性能碳纤维针刺预制体及其制备方法，包括：对普通长碳纤维丝束进行扩宽处理，以形成纤维丝束在预设范围内的展宽连续长碳纤维；采用展宽连续长碳纤维制备出短切碳纤维网胎；采用展宽连续长碳纤维和短切碳纤维通过针刺，制备出多种类型的单元层；对相同类型的单元层进行复合针刺，以制备出高性能碳纤维针刺预制体。本发明的技术方案解决了现有碳纤维整体针刺预制体，由于其制备方式产生对纤维强度的损失较大的问题，以及致密化程度有限，最终形成产品的密度不高、且强度不高等问题，以及在各种应用中所存在的问题。

技术领域

本发明涉及但不限于碳纤维复合材料技术领域，尤指一种高性能碳纤维针刺预制体及其制备方法。

背景技术

碳/碳或碳/陶复合材料由于高温结构强度高、耐烧蚀性能好、摩擦磨损性能优异等多种特性，可广泛应用于航空、轨道交通、汽车等刹车材料、航天用耐烧蚀高温结构材料及高温设备用热结构材料等领域，应用前景十分广阔。碳纤维整体针刺预制体是目前在碳/碳或碳/陶复合材料中广泛采用的一种预制体结构类型，该结构克服了2D铺层预制体层间强度弱的缺点，同时又克服了3D编织预制体工艺复杂、成本高的不足。

但碳纤维整体针刺预制体在使用过程中也面临着越来越多的问题，亟待通过结构和工艺的完善进行改进。该碳纤维整体针刺预制体通常具有以下问题：第一，由于制备碳纤维整体针刺预制体的针刺过程中，在形成Z向纤维以加强层间结合性的同时，会连带的刺断起力学强韧作用的连续碳纤维，在现有的技术条件下，由于碳纤维为丝束状的成股排列，刺针刺入碳纤维丝束后刺断纤维的数量较多，这样对纤维强度的损失较大；其次，成股排列的碳纤维丝束间孔隙很大，对于碳/碳材料的CVI制备过程而言，太大的孔隙，由于其比表面积较小，高温裂解气通过时固相热解碳不易附着在比表面积小的丝束间孔隙中，造成致密化程度有限，最终形成产品的密度不高；进一步的，在碳/陶材料在进行RMI制备过程中，由于前期的碳/碳毛坯在丝束间大孔隙的热解碳附着较薄，高温下的高活性Si液体或蒸气很容易消耗完较薄的热解碳而直接侵蚀碳纤维，造成碳/陶材料的强度不高；第三，目前的碳纤维整体针刺预制体制备技术的无纬布或编织布与网胎交叉叠层复合针刺时，碳纤维布和网胎的厚度较厚，结构和性能上在宏观层面存在不连续的变化，对于刹车材料来说会导致在刹车制动和摩擦过程中随着磨损的进行新的摩擦面会在网胎层和无韦布层之间交替产生，摩擦性能不稳定；在航天耐烧蚀材料中会造成高温烧蚀剥层较明显；在单晶硅提拉炉热场材料会造成硅蒸气剥层明显；第四，碳/碳或碳/陶产品在加工过程中由于存在较多的成股的碳纤维丝束，其韧性较好，毛刺较多，一方面增加了碳材料在车、磨、铣等加工过程的难度，同时也影响了碳材料加工的精度。

发明内容

本发明的目的：本发明实施例提供一种高性能碳纤维针刺预制体及其制备方法，以解决现有碳纤维整体针刺预制体，由于其制备方式产生对纤维强度的损失较大的问题，以及致密化程度有限，最终形成产品的密度不高、且强度不高等问题，以及在各种应用中所存在的问题。

本发明的技术方案：本发明为了克服上述技术问题，提出了一种高性能碳纤维针刺预制体及其制备方法，包括：

步骤1，对普通长碳纤维丝束进行扩宽处理，以形成纤维丝束在预设范围内的展宽连续长碳纤维；

步骤2，采用步骤1中的展宽连续长碳纤维制备出短切碳纤维网胎；

步骤3，采用展宽连续长碳纤维和短切碳纤维通过针刺，制备出多种类型的单元层，不同类型的单元层在制备过程中所采用的展宽连续长碳纤维布的类型不同；

步骤4，对相同类型的单元层进行复合针刺，以制备出高性能碳纤维针刺预制体。

可选地，如上所述的高性能碳纤维针刺预制体的制备方法中，所述步骤1包括：

步骤11，将普通连续长碳纤维丝束以预设速度经过盛有溶剂的液槽中，并确保普通连续长碳纤维经过时完全浸没入溶剂中；