一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法技术领域
本发明涉及一种回转型针刺预成型体的制备方法，尤其是不封顶或封顶、高密度
针刺预成型体的制备方法，属于纤维集合体技术领域。
背景技术
目前锥管形、半圆形、棱锥形、凹腰形棱锥等异形预成型体在高温防、隔热复合材
料领域应用较为广泛，异形预成型体作为复合材料增强体，对其性能提升起到了关键作用。
现使用的增强预成型体的制备工艺分为两大类：网胎与布针刺成形工艺，定长纤维编织成
形工艺。采用网胎加布针刺工艺解决了快速、低成本制造，但其体积密度和层间连接强度偏
低，用作高温隔热复合材料等力学性能要求不高的部件上可以满足使用要求，但对于高温
防热复合材料，要求体积密度和层间力学性能高的部件，现有工艺无法满足要求；采用定长
纤维编织成形的预成型体在体积密度和层间力学性能上均能满足高温防热复合材料的使
用要求，但其制造周期长、成本高，无法满足大批量的应用需求，而要实现其快速、低成本制
备，由于该成形工艺编织路径长、工序多、工序间为间断式作业，实现机械化、自动化的难度
非常大，因此在短期内实现其快速低成本制备基本不可行。
中国专利公告号CN1255600C，公告日是2006年5月10日，名称为‘一种可针刺无纺
织物及准三维预制件’中公开了一种由聚丙烯晴基碳纤维预制薄层无纺织物及编织布，以
及经多重交替叠层针刺形成的准三维预制件，克服了已有采用长条碳纤维前体聚丙烯晴基
预氧纤维（OPF）为主叠层针刺预制件的缺陷，该发明重点在于直接用碳纤维制备针刺预制
件，减少了用碳纤维前体聚丙烯晴基预氧纤维（OPF）制备针刺毡后还需再碳化，使其密度及
性能不易保证等问题，使针刺毡的制造总成本及周期显著减少，但对高密度针刺毡以及不
封顶与封顶回转型针刺预成型体的制备均未涉及。
中国专利公告号CN103668779A，公告日是2014年3月26日，名称为‘一种碳化硅纤
维针刺毡及其制备方法’中公开了一种碳化硅纤维针刺毡及其制备方法，采用单层针刺和
叠层针刺工艺，在Z向力学性能大大提高的同时，X-Y向的力学性能和热物理性能也较非针
刺毡显著提高，该专利只针对碳化硅纤维针刺毡，且采用的基础工艺还是毡和布，在此工艺
基础上进行了创新，并在纤维材料上实现了提升，用碳化硅纤维代替了碳纤维，采用该发明
制备的碳化硅针刺毡X-Y向的力学性能和热物理性能显著提高，但其体积密度偏低，只适用
于高温过滤、隔热等需要低密度的复合材料部件上，对于高密度针刺毡以及不封顶与封顶
回转型针刺预成型体的制备该发明均未涉及。
本发明采用结构和工艺两条途径进行创新，在结构上用方格布代替网胎提供Z向
连接纤维，方格布的孔隙大小可根据连接密度及强度设计；基布种类较多，现有单向布、二
维布（平纹、斜纹、缎纹及其变异组织）、2.5维（浅交弯联、浅交直联、深联及其变异结构）、正
交三向和三维多向等，可根据产品密度和层间性能指标，优选基布结构和面密度并确定与
方格布的组合结构型式；以设计的针刺参数（针刺幅宽、密度、深度等）制备单元层，经等静
压精确控制单元层厚度并消除内应力，再根据不同产品外形分别使用卧式和立式针刺毡设
备及其配套工装完成高密度回转型针刺预成型体的制备。采用本发明可实现基布与方格布
组合方式可设计、产品密度和层间连接性能可设计、形状（封顶与不封顶）以及厚度可设计，
提供了一种快速、低成本制备不封顶或封顶回转型针刺预成型体的方法，可在高温过滤、防
热复合材料部件上应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是现有技术中网胎加布针刺工艺制备的针刺毡密度
和层间连接性能偏低；长纤维整体编织工艺虽能满足密度及层间连接性能要求，但其制备
周期长、成本高无法满足大批量产品需求等问题，提出一种高密度回转型针刺预成型体的
制备方法。
本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法包括如下步骤：
（1）采用卧式针刺设备，根据产品的尺寸裁剪隔离毡（30），使其长度和周长与芯模（20）
相同，厚度大于针刺深度2mm，内刷万能胶粘裹在芯模（20）外表面；
（2）调整固定芯模（20）的中心轴（70），使其与水平线夹角等于芯模（20）半锥角，保持芯
模（20）母线与针床（60）平面平行；
（3）调整针刺参数，把芯模（20）中心轴（70）的旋转步距调整为3cm对应的旋转角，先安
装3根针的针刺头（50），准备7根和18根针的针刺头（50）；
（4）根据不封顶芯模（20）展开图制备矩形或扇形尺寸裁切的单元层（80）；
（5）将单元层（80）包裹在隔离毡（30）表面，用柔性工装夹持，抚平压实单元层（80），使
单元层（80）紧贴在隔离毡（30）表面，把其搭接缝处用3根针的针刺头（50）针刺固定，在针床
（60）上植入三排刺针（90），调整好针刺参数，按每针刺一次旋转3cm对应的中心角步距沿母
线方向整体针刺；
（6）每刺完一层须降低一次芯模中心轴（70）的高度，其降低值为当前芯模（20）上增加
的单元层（80）厚度；按设定的针刺参数及单元层（80）层数可制备出高密度不封顶回转型针
刺预成型体；
（7）换用立式针刺设备，把旋转工作台（10）的步距调整为3cm对应的旋转角，进入第一
单元层（80）针刺，根据封顶芯模（20）展开图制备扇形尺寸裁切的单元层（80），将其包裹在
隔离毡（30）表面，用3根针的针刺头（50）在单元层（80）搭接缝处和其它任意表面取多点进
行针刺，使其与隔离毡（30）固定为优，再用柔性工装抚平压实单元层（80），使其紧贴隔离毡
（30）表面；用3根针的针刺头（50），调整好针刺参数，按每针刺一次旋转3cm对应的中心角步
距沿圆周方向针刺，再按由上至下的顺序逐圈针刺，直至芯模（20）底部收尾，并作标记；
（8）第二单元层针刺，根据封顶芯模（20）展开图制备莲花形尺寸裁切的单元层（80），将
封顶尖部对准第一单元层（80）顶部中心位置，并使其莲花形花瓣紧贴在第一单元层（80）外
表面；用3根针的针刺头（50），采用与第一单元层（80）相同针刺参数进行针刺，并在芯模
（20）底部收尾处作出标记；
（9）间隔重复第一单元层（80）和第二单元层（80）针刺步骤，并使每次针刺的收尾位置
递进式错开，针刺到一定厚度换7根针或18根针的针刺头（50）直至制备完成高密度封顶回
转型针刺预成型体；
（10）前述步骤（4）中，单元层（80）是由基布（100）和方格布（110）层叠针刺而成，基布
（100）与方格布（110）规格、层叠方式乃至单元层（80）密度可调；
（11）前述步骤（4）中，制备母线为直线且平行其中心轴线的回转型针刺预成型体（40）
须把单元层（80）裁切成矩形，母线为直线且与其中心轴线斜交须用扇形单元层（80），母线
为空间曲线则须用条带形单元层（80）从小端至大端缠绕固定后针刺；
（12）前述步骤（5）中，柔性夹持工装是指多瓣形可收缩阴模，针刺用芯模（20）作为阳
模，两者配套使用可保证针刺预成型体（40）厚度；
（13）前述步骤（8）中，莲花形单元层（80）的尖部为无缝、全封闭，且上下莲花形单元层
（80）的尖部直径呈递增规律，其递增值=（产品尖部直径-起始单元层尖部直径）/（顶部厚
度/单元层厚度）；
（14）前述步骤（9）中，3针、7针和18针的针刺头（50）的使用范围为单元层（80）叠层厚度
在5mm以内用3根针的针刺头（50），5mm～10mm使用7根针的针刺头（50），10mm以上用18根针
的针刺头（50）；
（15）前述步骤（9）中，单元层（80）每次针刺收尾位置的递进值=×产品底部外径/（产品
底部厚度/单元层厚度）；
（16）前述针刺参数包括针刺用刺针（90）、针刺幅宽、密度与深度；
（17）前述针刺预成型体（40）包括：不封顶或封顶，实心或空心，等截面尺寸或变截面尺
寸；
（18）前述针刺预成型体（40）所用纤维材料的材质为碳纤维、石英纤维、玄武岩纤维、高
硅氧纤维、玻璃纤维等。
本发明可应用于高温过滤、防热复合材料领域，还可向防热、透波复合材料领域拓
展。
附图说明
图1为本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法的卧式针刺设备示意
图；
图示中20为芯模，30为隔离毡，40为不封顶、高密度回转型针刺预成型体，60为针床，70
为芯模固定旋转用中心轴，90为针刺使用的刺针，图中双向箭头为针刺往复运动方向。
图2为本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法的立式针刺设备示意
图；
图示中10为旋转工作台，20为芯模，30为隔离毡，40为封顶、高密度回转型针刺预成型
体，50为针刺头，图中双向箭头为针刺往复运动方向。
图3-1为本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法3根针的针刺头结构
示意图；
图3-2为本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法7根针的针刺头结构示意
图；
图3-3为本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法18根针的针刺头结构示意
图；
图4-1为本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法条带形状示意图；
图示中80为单元层。
图4-2为本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法扇形展开示意图；
图示中80为单元层。
图4-3为本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法莲花形展开示意图；
图示中80为单元层。
图5为本发明一种高密度回转型针刺预成型体的制备方法的单元层组成结构示意
图；
图示中100为方格布，110为基布。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
实施例1
制备高密度石英纤维、不封顶锥管形针刺预成型体： 大端外径 Φ320，大端内径Φ
300，小端外径Φ220，小端内径Φ200，高度H300mm，厚度为压缩过的；纤维体积百分含量为
40%±1%。，已知石英网格布和石英平纹布的厚度分别为0.18mm，0.22mm，石英平纹布和石英
网格布的面密度分别为198 g/m2和100 g/m2。制备步骤如下：
（1）根据不封顶锥管的体积公式得锥管形针刺预成型体的体积为2451cm³，按纤维体积
含量40%计算得锥管密度为0.88g /cm3，锥管重量为2156g，把锥管沿纵截面剖切展开，其扇
台面积为，计算值为0.258m2（该面积值为锥管产品最外侧的表面积），根据石英平纹布和石
英网格布的面密度分别为198 g/m2和100 g/m2，求得单元层重量为129g，则锥管单元层总层
数=总重量/单元层重量=2156/129=16层。
（2）裁剪得长度和周长比芯模略大的一张方格布和两张平纹布，方格布在最上面，
两张平纹布层叠其下组成一个单元层，平纹布底面衬塑料薄膜，调整针刺机的剥毡板与托
毡板间距为3mm，按针刺密度25针/cm2，针刺深度9mm进行单元层针刺，最后将制得的16张单
元层放置在等静压罐中去除应力，并精确控制各单元层厚度。
(3) 将已经准备好的芯模表面刷万能胶,使用20mm厚隔离毡，隔离毡裁剪成条状，
由模具小端往大端逐层缠绕，直至完全覆盖包裹芯模表面，将芯模固定于在卧式针刺机的
中心轴上；将步骤（2）制备的单元层包裹、平铺在隔离毡表面，用3根针的针刺头由扇台形纵
向开口处开始每隔3cm针刺一次进行固定，采取由小端向大端环向多点针刺固定，针刺时配
合使用柔性工装夹持单元层，使其紧贴在隔离毡表面，剩余15张单元层按比第1张单元层各
边略大1cm的余量进行裁剪，以保证在制备过程中随着预成型体积不断变大，单元层仍能完
全覆盖锥管表面。
（4）设置针刺数据，针刺密度为40针/cm2，针刺深度为18mm，在针床上植入三排
针，区域长度为350mm，调整中心轴的倾斜角度等于锥管半锥角，以使芯模母线与针床相平
行，刺针沿锥管法向刺入单元层中，针刺每增加一层单元层芯模总体高度下降0.62mm（该数
据为单元层理论厚度），同时错开单元层开口处，继续环向针刺，达到设定厚度10mm停止针
刺，裁切下样，制得的高密度不封顶锥管形针刺预成型体，密度为0.88g/cm2，纤维体积含量
为40%。
实施例2
制备高密度石英纤维封顶中空锥体针刺预成型体：大端外径 Φ520，大端内径 Φ500，
高度H500的，厚度为压缩过的；纤维体积含量为40%±1%，已知石英网格布和石英平纹布的
厚度分别为0.18mm，0.22mm，石英平纹布和石英网格布的面密度分别为198 g/m2和100 g/
m2。制备步骤如下：
（1）根据封顶中空锥体体积公式得锥体体积为2671cm³，按纤维体积含量40%计算得锥
体密度为0.88g /cm3，锥体重量为2350g，把锥体沿纵截面剖切展开，其扇形面积为，计算值
为0.295m2（该面积值为锥体产品最外侧的表面积），根据石英平纹布和石英网格布的面密
度分别为198 g/m2和100 g/m2，求得单元层重量为146.8g，则锥体单元层总层数=总重量/单
元层重量=2350/146.8=16层。
（2）将完全覆盖模具的一张方格布和两张平纹布，以方格布在上面，两张平纹布在
下面的形式层叠组成一个单元层，底面衬塑料薄膜。调整剥毡板与托毡板的间距为3mm，调
整针刺密度为25针/cm2，针刺深度为9mm进行单元层预针刺，先预刺两张单元层。
（3）将已经准备好的芯模表面刷胶，使用厚度为20mm的隔离毡，隔离毡裁剪成条
状，由芯模具尖部往下逐层缠绕，直至完全覆盖包裹芯模表面，将芯模固定在立式旋转工作
台上，将前期制备的单元层裁切成扇形包裹在隔离毡表面，另一张裁切成四瓣莲花形状，中
心为不间断的整圆，按此裁切剩余的14张单元层，扇形和四瓣莲花形状各7张备用。
（4）第一层针刺：把一层扇形单元层包裹在芯模表面，使用3根针的针刺头由扇形
纵向开口处开始每隔3cm针刺一次对其进行固定，采取由尖部向锥体底部环向多点针刺固
定，针刺时配合使用柔性工装夹持单元层，使其紧贴在隔离毡表面；设置针刺参数：针刺密
度40针/cm2，针刺深度18mm，用3根针的针刺头由芯模尖部向下逐圈针刺，针刺结束后标记
收尾位置。
（5）第二层针刺：把一层莲花形单元层包裹在芯模表面，使其尖部与芯模顶部重
合，用3根针的针刺头针刺固定；用柔性工装夹持四瓣花瓣，向下抚平，使莲花形单元层紧贴
在扇形单元层表面，并用3根针的针刺头针刺固定；调整针刺参数：针刺密度为40针/cm2，针
刺深度为18mm，用3根针的针刺头由芯模顶部向下逐圈针刺，针刺结束后标记收尾，第一层
针刺和第二层针刺的收尾位置须错开。
（6）重复第一层和第二层针刺操作步骤，注意错开各层针刺收尾位置，同时一直保
持针刺深度为18mm；当针刺到5mm厚时，更换为7根针的针刺头，达到10mm厚时更换18根针的
针刺头，目的是增大针刺面，提高针刺生产效率，直到达到产品要求厚度为止，准完全完成
产品尺寸，制得的高密度封顶中空锥体针刺预成型体，密度为0.88g/cm2，纤维体积含量为
40%。