國內(nèi)的炭纖維針刺氈預(yù)制體制備開始于20世紀(jì)70年代, 主要由上海大學(xué)、 蘭州炭素廠進(jìn)行整體氈的研制, 西安復(fù)合材料研究所于20世紀(jì)90年代建立了整體氈生產(chǎn)線。江蘇宜興天鳥高新技術(shù)有限公司抓住炭剎車盤國產(chǎn)化應(yīng)用的商機, 大力發(fā)展炭布/網(wǎng)胎鋪層針刺技術(shù), 已成為軍工企業(yè)以及民用企業(yè)針刺制品的供應(yīng)商。西安復(fù)合材料研究所于2003年開始進(jìn)行高強度薄壁針刺氈預(yù)制體的成形技術(shù)的研究[5]。

煙臺冶金新材料研究所李榮立等開始進(jìn)行2D編織Z向穿刺預(yù)制體的研究。編織預(yù)制體用東麗公司12K的PAN-CF經(jīng)過特殊處理后, 在自制的編織機上織出2D環(huán)形預(yù)制體, X方向?qū)雍蚘方向?qū)拥慕唤歉鶕?jù)預(yù)制體不同層數(shù)計算得出, 以保證纖維在預(yù)制體內(nèi)部分布均勻。X-Y方向編織后, 進(jìn)行Z向穿刺, Z向纖維含量任意調(diào)整。2D編織Z向穿刺預(yù)制體實際上是三維編織的演變, 它保留了三維編織預(yù)制體的本質(zhì)特點, 克服了三維編織技術(shù)難度大、 效率低的缺點, 2D編織Z向穿刺技術(shù)主要應(yīng)用于炭/炭剎車盤預(yù)制體的成形。該預(yù)制體在平行于摩擦表面(X-Y)上的纖維占總體積含量的90%, 它可使材料在具有優(yōu)異的力學(xué)性能外, 還具有良好的抗摩擦磨損性能, 而約10%的Z向纖維含量對提高材料的層間剪切強度和導(dǎo)熱系數(shù)起到主要作用。該預(yù)制體的高密度以及環(huán)形形狀, 簡化了剎車盤的生產(chǎn)工藝。

國內(nèi)針刺預(yù)制體成型技術(shù)主要分為三種: 整體針刺氈、 炭布/預(yù)氧絲網(wǎng)胎針刺預(yù)制體和炭布/炭纖維網(wǎng)胎針刺預(yù)制體。針刺整體氈原材料為預(yù)氧化纖維網(wǎng)胎, 整體氈作為喉襯預(yù)制體密度一般在0.15~0.30 g/cm3, 平板氈作為保溫氈預(yù)制體密度一般在0.15 g/cm3。炭布/網(wǎng)胎疊層針刺預(yù)制體密度一般在0.30~0.70 g/cm3, 炭布可以是平紋、 斜紋、 緞紋、 無緯布等。

20世紀(jì)80年代, 法國歐洲動力裝置公司(Societe Europeenne de Propulsion, 以下簡稱SEP公司)成功將非織造布技術(shù)應(yīng)用于炭纖維預(yù)制體成型領(lǐng)域[6], 發(fā)明了Novoltex 針刺技術(shù), 并申請了專利。SEP公司于20世紀(jì)90年代被Snecma Propulsion Solide 公司收購, 故后期有關(guān)針刺技術(shù)的報道主要出自法國Snecma公司, 其他國家鮮有報道。

Snecma采用針刺技術(shù)成型的預(yù)制體主要有兩種: Novoltex 和Naxeco[7]。Novoltex 預(yù)制體采用預(yù)氧絲布/預(yù)氧絲網(wǎng)胎復(fù)合料針刺, Naxeco采用炭布/炭纖維網(wǎng)胎針刺。制作薄壁回轉(zhuǎn)體構(gòu)件時, Novoltex預(yù)制體針刺時纖維沿子午線和錐體的環(huán)向排布, 帶狀織物邊纏繞邊針刺; Naxeco預(yù)制體針刺時纖維沿±45°方向鋪設(shè)。

Naxeco預(yù)制體是Novoltex預(yù)制體的改進(jìn)型, 降低由于預(yù)氧化纖維炭化收縮帶來的技術(shù)風(fēng)險, 后期致密也不需要復(fù)雜的炭化設(shè)備。制作平板Naxeco預(yù)制體時, 炭纖維束被切斷后, 梳理成網(wǎng)層層疊加, 使纖維沿著兩個不同的方向形成無卷曲織物原材料卷, 被稱為Primeco。Primeco作為基本單元鋪層堆疊針刺而成一定厚度的預(yù)制體。

法國SEP公司用于針刺預(yù)制體成型的設(shè)備與預(yù)制體形狀有關(guān), 基本上一種形狀預(yù)制體即需要一種針刺設(shè)備。SEP公司的針刺技術(shù)一直代表著世界先進(jìn)水平, 制作的喉襯預(yù)制體最大外徑為2.4 m, 纖維體積含量約28%, 鋪層方向沿環(huán)向; 制作的噴管延伸錐出口厚度只有2 mm, 出口外徑達(dá)到2600 mm; 成型的平板預(yù)制體最大尺寸為7000 mm×2500 mm×60 mm。

法國SEP公司(現(xiàn)為Snecma)已成功將針刺技術(shù)應(yīng)用于液體助推火箭喉襯、 炭/炭延伸錐、 剎車盤等的批量生產(chǎn), 產(chǎn)品已形成商品系列, 包括炭/炭(SEPCARB), 炭/陶瓷(SEPCARBON INOX)和陶瓷/陶瓷(CERASEP)[8,9]。NOVOLTEX 系列喉襯產(chǎn)品已成功經(jīng)歷400多次的地面和飛行試驗, 截至1995年Novoltex炭/炭延伸錐已成功研制了76臺[10]。