图2-8 炭纤维无纬布的制作过程示意图

针刺法是制备炭纤维预制体的一种, 源于纺织工业的短切纤维制造工艺。针刺预制体的成形工艺是以纤维网胎为针刺原材料, 采用一种带有倒向钩刺的特殊刺针进行穿刺, 形成平面和层间均有一定强度的准三维网状结构增强体。针刺法预制体制备技术克服了2D铺层预制体层间强度弱的缺点, 同时又克服了3D编织预制体工艺复杂、 成本高的弱点, 是目前各国争相采用的一种多用途、 高技术含量的预制体成形技术[4]。

图2-8是炭纤维无纬布的制作过程示意图。在预制体中, 织物层与层之间是用带钩的针所携带的炭纤维结合在一起。每层无纬布与网胎铺层后都进行针刺, 预制体厚度方向的每一部分具有同等数量的贯穿纤维, 具有良好的均匀性, 适合制备形状复杂和需要精确机加工的部件, 使炭/炭复合材料各个方向都具有良好的力学性能, 针刺毡预制体可以制成中空薄壁制品和圆柱、 圆盘、 方形等, 应用于火箭发动机扩张段、 延伸锥、 燃烧室、 喉衬等高温结构部件, 也可以用于航天飞机等飞行器的不规则热防护结构。首先将长炭纤维裁成长度为5~8 cm的短纤维, 然后对短纤维进行表面化学处理改性。将改性后的短纤维经过一特制的梳理机制成均匀的短纤维网胎。

在把短纤维网胎和长纤维(如图2-9所示)交替叠加到一定厚度后进行针刺。其中相邻长纤维之间的夹角从0°到90°可以根据需要进行调整。最后刺成的炭纤维预制体密度在0.45~0.60 g/cm3之间。这样就得到飞机炭刹车盘炭纤维预制体。这种方式制造的炭纤维预制体属于准三维结构, 层与层之间靠针刺纤维Z-D纤维连接, 从而改善了复合材料的层间剪切力、 层间热导, 同时也不降低材料的摩擦性能, 是目前流行炭刹车盘预制体制作方式和结构, 同时也可用作其他炭/炭复合材料的炭纤维预制体。

图2-9 炭刹车盘预制体的针刺过程示意图

图2-10为炭/炭飞机刹车盘炭纤维针刺预制体准三维结构图。该技术也可用于炭/炭发热体预制体的制作、 高强螺栓预制体的制作、 炭/炭坩埚预制体的制作等。

图2-10 炭刹车盘炭纤维针刺预制体准三维结构示意图