圖2-8 炭纖維無緯布的制作過程示意圖

針刺法是制備炭纖維預(yù)制體的一種, 源于紡織工業(yè)的短切纖維制造工藝。針刺預(yù)制體的成形工藝是以纖維網(wǎng)胎為針刺原材料, 采用一種帶有倒向鉤刺的特殊刺針進(jìn)行穿刺, 形成平面和層間均有一定強(qiáng)度的準(zhǔn)三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)體。針刺法預(yù)制體制備技術(shù)克服了2D鋪層預(yù)制體層間強(qiáng)度弱的缺點, 同時又克服了3D編織預(yù)制體工藝復(fù)雜、 成本高的弱點, 是目前各國爭相采用的一種多用途、 高技術(shù)含量的預(yù)制體成形技術(shù)[4]。

圖2-8是炭纖維無緯布的制作過程示意圖。在預(yù)制體中, 織物層與層之間是用帶鉤的針?biāo)鶖y帶的炭纖維結(jié)合在一起。每層無緯布與網(wǎng)胎鋪層后都進(jìn)行針刺, 預(yù)制體厚度方向的每一部分具有同等數(shù)量的貫穿纖維, 具有良好的均勻性, 適合制備形狀復(fù)雜和需要精確機(jī)加工的部件, 使炭/炭復(fù)合材料各個方向都具有良好的力學(xué)性能, 針刺氈預(yù)制體可以制成中空薄壁制品和圓柱、 圓盤、 方形等, 應(yīng)用于火箭發(fā)動機(jī)擴(kuò)張段、 延伸錐、 燃燒室、 喉襯等高溫結(jié)構(gòu)部件, 也可以用于航天飛機(jī)等飛行器的不規(guī)則熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。首先將長炭纖維裁成長度為5~8 cm的短纖維, 然后對短纖維進(jìn)行表面化學(xué)處理改性。將改性后的短纖維經(jīng)過一特制的梳理機(jī)制成均勻的短纖維網(wǎng)胎。

在把短纖維網(wǎng)胎和長纖維(如圖2-9所示)交替疊加到一定厚度后進(jìn)行針刺。其中相鄰長纖維之間的夾角從0°到90°可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。最后刺成的炭纖維預(yù)制體密度在0.45~0.60 g/cm3之間。這樣就得到飛機(jī)炭剎車盤炭纖維預(yù)制體。這種方式制造的炭纖維預(yù)制體屬于準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu), 層與層之間靠針刺纖維Z-D纖維連接, 從而改善了復(fù)合材料的層間剪切力、 層間熱導(dǎo), 同時也不降低材料的摩擦性能, 是目前流行炭剎車盤預(yù)制體制作方式和結(jié)構(gòu), 同時也可用作其他炭/炭復(fù)合材料的炭纖維預(yù)制體。

圖2-9 炭剎車盤預(yù)制體的針刺過程示意圖

圖2-10為炭/炭飛機(jī)剎車盤炭纖維針刺預(yù)制體準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)圖。該技術(shù)也可用于炭/炭發(fā)熱體預(yù)制體的制作、 高強(qiáng)螺栓預(yù)制體的制作、 炭/炭坩堝預(yù)制體的制作等。

圖2-10 炭剎車盤炭纖維針刺預(yù)制體準(zhǔn)三維結(jié)構(gòu)示意圖