一种可针刺无纺织物及准三维预制件 【技术领域】
本发明涉及一种由功能纤维叠层针刺预制件，尤其是由聚丙烯腈基碳纤维制成的可针刺无纺织物及准三维预制件。特别适用于随后直接沉积碳被加工成碳/碳结构材料，例如飞机刹车盘或耐烧蚀碳/碳复合材料等纤维基体材料。
背景技术
功能纤维叠层经针刺形成的预制件，由于其特殊的高温力学及热学性能，高的高温强度、耐磨损和耐高温烧蚀特性，被公认是优良的航空器刹车盘、火箭发动机喷管喉衬用结构材料。
中国专利96121709公开了一种由碳纤维前体聚丙烯腈基预氧纤维(OPF)，多重叠层针刺形成的准三维预制件，面层采用层厚8-13mm、由25mm或以下短纤维经气流成网得到面密度为800g/m2的纤维网，中间层为层厚3mm，由三层OPF纤维交向搭接轻度针刺成的长纤维层，上下相邻层旋转60度叠放，经逐层针刺而成。然而由OPF纤维叠层针刺得到的预制件，首先必须碳化，使纤维变为碳纤维(CF)，然而整体预制件碳化可控性差、难度大，不仅容易发生纤维蠕动产生应力变化，造成预制件层间变形，整体收缩性大；而且内部纤维碳化不易均匀，整体密度均匀性差，强度低，CVD沉积难度大，影响后续产品质量。并且中间层均为长纤维结构，其连接各层的Z向纤维则通过针刺在长纤维层中产生，造成长纤维损伤，而长纤维损伤将影响预制件层面方向的抗拉强度。
中国专利95191073公开的另一种预制件，采用叠加厚度基本恒定的纤维层，以获得体积纤维整体恒定、Z向体积纤维率恒定和层厚恒定的均匀结构。但并未指明各层纤维结构，并且也是由碳纤维前体聚丙烯腈基预氧纤维制备。
然而有研究表明，当纤维层是由长或连续单丝制成时，连接各层的Z向纤维较难达到永久性转移，并且纤维长度、纤维卷曲、纤维表面光洁度等也会影响纤维永久性转移。显然叠层的纤维及叠层结构不同，针刺所形成的预制件性能会有较大差异。
发明技术
本发明目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种直接由聚丙烯腈基碳纤维制成，且有利针刺形成永久转移的Z向纤维，易于后续CVD沉积的可针刺无纺织物。
本发明的另一目的在于提供一种含上述无纺织物，有利于得到层间剪切强度高，抗脱层好，可直接进入CVD，且CVD过程中整体稳定不变形，易渗碳易沉积，可得到高致密度，整体均匀的准三维预制件。
本发明第一目的实现，其特征是由短切聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)，经蒸汽或化学柔性处理、机械松散、疏理、针刺成面密度为40-120克/米2的薄层无纺织物。本发明无纺织物，经蒸汽或化学改性处理(如用抗静电整理剂及柔软剂处理)后，使得碳纤维变得柔软，去除静电，表面毛糙度明显提高，有利于增强纤维抱和力，使之适于成网，且可针刺性好，易于后续针刺得到永久转移地Z向纤维。为有利机械松散及疏理成网，本发明CF纤维长度较好切成50-100mm。为有利于与随后复配的长纤维层结构配比，及获得更好的层间密度，本发明无纺织物面密度最好为80-120克/米2。
本发明第二目的实现，主要改进采用上述无纺织物与PANCF纤维单层编织布交替叠合，经逐层针刺得到具有准三维结构的预制件。
本发明为有利针刺形成较多层间连接的Z向纤维，增强预制件层间接合力，所说叠层优选采用无纺织物与纤维编织布逐层交替，交替叠层又以不等厚为好，其中以纤维编织布层厚大于无纺织物层厚为优，有利于得到较高的编织布重量比，无纺织物层厚以0.1-0.4mm为好(针刺后层厚)，纤维编织布层厚以0.3-0.8mm为好(针刺后层厚)。
本发明预制件为有效防止预制件面层纤维向两边松散，两面层最好采用无纺织物封面。
本发明预制件纤维编织布叠层添加较好采用旋转交错铺设，有利于均衡预制件平面方向强度。
本发明预制件纤维编织布尤以采用无纬布，有利于Z向纤维转移，提高预制件Z向强度。
本发明预制件为有利增强预制件整体强度，预制件中最好使纤维编织布体积重量大于无纺织物，其中尤以纤维编织布体积重量百分比65-90％为优，视产品要求而定，如用于烧蚀用碳/碳复合材料，纤维编织布体积重量比可适当低一些；用于碳/碳复合摩擦材料，纤维编织布体积重量应高一些。
本发明预制件无纺织物面密度较好为40-120克/cm2，用于烧蚀用碳/碳复合材料，面密度宜高一些；用于碳/碳复合摩擦材料，面密度宜低一些；
本发明预制件纤维编织布面密度较好为70-360克/cm2，用于烧蚀用碳/碳复合材料，面密度宜低一些；用于碳/碳复合摩擦材料，面密度宜高一些；
本发明预制件层间密度较好为12-20层/cm，用于烧蚀用碳/碳复合材料，层间密度可以低一些；用于碳/碳复合摩擦材料，层间密度应高一些；
本发明预制件体积密度较好为0.4-0.8克/cm3，用于烧蚀用碳/碳复合材料，体积密度可以低一些；用于碳/碳复合摩擦材料，体积密度应高一些。
本发明逐层针刺方法，可按通常针刺方式，如以相同针刺步长逐层针刺至所需厚度，无特别要求。
本发明由于直接采用聚丙烯腈基碳纤维(PANCF)，以及分别制成无纺织物和编织布，逐层交替叠合针刺得到的预制件，不仅使预制件可直接进入CVD工艺，大大缩短了碳/碳复合材料制作工期，而且在CVD过程中众多的无纺织物层更能沉积较多的碳，且能渗透至每一个层面。相间铺设无纺织物更有利于针刺形成层间连接的Z向纤维束，且永久转移性好，预制件层间结合力强，不易分层。编织无纬布，更有利于Z向纤维转移，提高预制件Z向强度，有效防止在高温渗碳过程中应力变化造成纤维层分层，预制件整体稳定，不易变形。本发明制得的准三维预制件，具有体积密度均匀，性能稳定，整体收缩性小节省材料，降低成本，易渗碳易沉积，制得的碳/碳复合材料具有耐摩擦、磨损小，导热性及抗热震性好，剪切强度高，离散系数低，特别适用于制造高性能的飞机刹车盘及耐高温耐烧蚀件。本发明碳纤维无纺织物，克服了长期以来人们较难采用碳纤维直接制造无纺织物的技术难题，可针刺性好，有利于针刺形成永久转移的Z向纤维，特别适用于针刺预制件的制造，可大大提高预制件性能。
以下结合几个具体实施例，进一步说明本发明，但实施例不应理解为对本发明的具体限定。
【具体实施方式】
实施例1：将聚丙烯腈基碳纤维切成长度为60mm短纤维，用纺织抗静电剂十八烷基二甲基羟乙基季铵硝酸盐(SN)喷湿表面，放入密闭容器中密封存放22小时左右，使其软化改性，取出经纺织开松机开松呈90％松散度絮状纤维绒，然后由疏理机疏理成超薄网，通过控制机械行程及频率往复铺设，经针刺定型制得面密度为50克/米2的薄层无纺织物备用。将聚丙烯腈基碳纤维通过编织机编成面密度为200克/米2有纬布。将无纺织物与有纬布逐层交替旋转铺设，并使上下面层为无纺织物，按针刺密度25针/cm2，针刺深度为14mm逐层针刺，控制层间密度18层/cm，无纺织物及有纬布层厚分别为0.17mm、0.39mm，得体积密度为0.45克/cm3，长纤维含量为79％的准三维预制件。此预制件较适用于碳/碳复合摩擦材料。
实施例2：将聚丙烯腈基碳纤维切成长度为75mm短纤维，将短纤维置入温室为80℃蒸汽房内，用水蒸汽喷湿，保温密闭5小时左右，使其软化改性，取出经纺织开松机开松呈90％松散度絮状纤维绒，然后由疏理机疏理成超薄网，通过控制机械行程及频率往复铺设，经针刺定型制得面密度为80克/米2的薄层无纺织物备用。将聚丙烯腈基碳纤维通过编织机编成面密度为240克/米2无纬布。将无纺织物与无纬布逐层交替铺设，并使上下面层为无纺织物，按针刺密度30针/cm2，针刺深度为18mm逐层针刺，控制层间密度16层/cm，无纺织物及无纬布层厚分别为0.19mm、0.44mm，得体积密度为0.52克/cm3，长纤维含量为73％的准三维预制件。此预制件用于飞机碳刹车盘料。
实施例3：按上述方法分别制得面密度为100克/米2的薄层无纺织物，及面密度为360克/米2无纬布。将无纺织物与无纬布逐层交替铺设，并使上下面层为无纺织物，按针刺密度20针/cm2，针刺深度为14mm逐层针刺，控制层间密度17层/cm，无纺织物及有纬布层厚分别为0.18mm、0.41mm，得体积密度为0.77克/cm3，长纤维含量为84％的准三维预制件。此预制可用于高温炉内层板。
实施例4：按上述方法分别制得面密度为120克/米2的薄层无纺织物，及面密度为240克/米2无纬布。将无纺织物与无纬布逐层交替铺设，控制层间密度17层/cm，无纺织物及有纬布层厚分别为0.18mm、0.41mm，得体积密度为0.62克/cm3，长纤维含量为65％的准三维预制件。此预制可用于高温发热构件。
实施例5：按上述方法分别制得面密度为40克/米2的薄层无纺织物，及面密度为180克/米2无纬布。将无纺织物与无纬布逐层交替铺设，控制层间密度20层/cm，无纺织物及有纬布层厚分别为0.15mm、0.35mm，得体积密度为0.44克/cm3，长纤维含量为81％的准三维预制件。此预制可用于人体生物骨架材料。
实施例6：按上述方法分别制得面密度为120克/米2的薄层无纺织物，及面密度为240克/米2无纬布。将无纺织物与无纬布逐层交替铺设，控制层间密度13层/cm，无纺织物及有纬布层厚分别为0.18mm、0.54mm，得体积密度为0.48克/cm3，长纤维含量为65％的准三维预制件。用于碳/碳复合烧蚀材料。