[發明專利]一種碳棒穿刺碳纖維立體織物的制備方法

有效

• 申請號: 201910571746.0
• 申請日: 2019-06-28
• 公開（公告）號: CN110184722B
• 公開（公告）日: 2020-07-31
• 發明（設計）人: 王富強;劉蘇驊;王坤杰;崔紅;嵇阿琳;曾金芳
• 申請（專利權）人: 西安航天復合材料研究所
• 主分類號: D03D25/00
• 分類號: D03D25/00;D03D15/00
• 代理公司: 北京理工大學專利中心 11120
• 代理人: 張潔;周蜜

本發明涉及一種碳棒穿刺碳纖維形成立體織物的制備方法，屬于復合材料預制體技術領域。通過將碳棒一端設為針尖狀直接使用碳棒穿刺，完成一個周期的鋪紗后向上頂出碳棒并壓實，如此重復，鋪放工藝簡便，只需間斷向上頂出炭棒，不需要二次置換，Z向纖維在織物成型過程中由于剛棒中樹脂保護纖維幾乎不受損傷；XY向使用碳纖維束直接鋪放，避免碳纖維織布、炭布與網胎復合料針刺、鋼針穿刺炭布三個過程中對XY向纖維的損傷，與通道寬度相匹配寬度的碳纖維束鋪放能夠增強XY向纖維的平展性、貼合性，有利于充分發揮纖維強度，準確控制織物層間距，提高立體織物成型質量。

技術領域

本發明涉及一種復合材料用三維碳纖維立體織物的制備方法，尤其涉及一種采用碳纖維剛性棒(碳棒)穿刺碳纖維形成立體織物的制備方法，屬于復合材料預制體技術領域。

背景技術

三維碳纖維立體織物是采用三組以上呈三維取向的紗線系統相互交叉排列而形成的立體織物(預制體)，在X、Y、Z方向上存在連續的碳纖維紗，因此，織物的力學性能優異，目前，比較常用的碳纖維立體織物制備技術為穿刺技術。例如美國專利US4218276采用碳纖維布鋪放在Z向鋼針上穿刺、壓實，再用碳纖維置換鋼針的方法，制備出立體織物。目前國內穿刺預制體的制備方法通常采用將碳纖維先織成炭布，再將炭布與碳纖維網胎復合料預針刺，復合料再在鋼針上穿刺至一定高度，然后用碳纖維置換鋼針的方式，制備碳纖維立體織物。盡管后續研究中對炭布類型、針刺參數等進行了不斷優化，但在織布過程中，碳纖維束仍存在彎折和磨損；在復合料預針刺過程中，刺針會切斷炭布中部分纖維單絲。研究表明碳纖維織成炭布后其強度損失約10％，而經過復合料預針刺后強度損失約30％，此外Z向鋼針穿刺過程中XY向碳纖維也不可避免的存在損傷，而且破壞了炭布的整體性，最終使織物增強復合材料力學性能下降、質量降低。碳纖維織物采用鋼針置換方式制備的穿刺C/C材料，在高溫下易發生異常的脆性斷裂現象，分析其原因為織物穿刺損傷較大，同時存在鋪放炭布起褶皺等問題，Z向穿刺紗存在斷紗、缺束等現象。鋼針置換通常采用手工或半自動方式，鋼針數量一般都在數萬根，勞動強度大，成本高，紗線張力不可控，而且易造成斷紗且無法補紗。

發明內容

針對現有鋼針穿刺C/C復合材料用織物制備工藝復雜，鋪層XY向纖維損傷大，鋼針置換過程中碳纖維斷紗，材料高溫下脆性破壞等問題，本發明的目的在于提供一種碳棒穿刺碳纖維立體織物的制備方法，所述方法使得X-Y向碳纖維幾乎沒有損傷，Z向碳纖維引入簡便，織物性能好；工藝過程簡單，生產效率高。

為實現上述目的，本發明的技術方案如下。

一種碳棒穿刺碳纖維立體織物的制備方法，所述方法步驟如下：

(1)將碳棒按照立體織物高度要求裁剪，并且碳棒的一端為針尖狀；

(2)按照立體織物的結構要求使用固定工裝將若干碳棒沿Z向(垂直于水平面方向)固定形成碳棒陣列，陣列通道寬度為0.8-4mm，且碳棒針尖狀一端向上；

(3)在碳棒針尖狀一端周向設置紗線固定工裝，根據陣列通道寬度選擇碳纖維束，使碳纖維束的寬度≤陣列通道寬度；在紗線固定工裝上將碳纖維束沿一個方向依次鋪滿陣列通道，形成第一層XY向(水平方向)鋪層纖維；

(4)以第一層XY向鋪層纖維為0°方向，按碳纖維束鋪放角度旋轉，確定鋪層方向，并沿此方向依次鋪滿所有陣列通道，形成第二層XY向鋪層纖維；

(5)重復步驟(4)直至N層碳纖維束鋪放完成，停止鋪放，得到N層XY向鋪層纖維，2≤N≤8；

(6)向上整體頂出碳棒，使碳棒穿過N層XY向鋪層纖維，并將N層XY向鋪層纖維壓實至每層之間的層間距平均值為0.3-1.0mm，拆除紗線固定工裝；

(7)重復步驟(3)-(6)，直至達到立體織物設計要求高度，得到一種碳棒穿刺碳纖維立體織物。