一种变孔隙孔径的炭/炭复合材料刹车盘预制体的制作方法

1.本实用新型涉及预制体技术领域，尤其是一种变孔隙孔径的炭/炭复合材料刹车盘预制体。


背景技术：

2.炭/炭复合材料为一种先进复合材料，它使用碳纤维制品，如无纬布、碳毡、平纹布等，通过编织、针刺等工艺制成预制体，作为复合材料增强体。碳纤维是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量的新型纤维材料，具有许多优良性能，例如密度低，从而具有高的比强度和比模量，无蠕变，非氧化环境下耐超高温，耐疲劳性好，比热及导电性介于非金属和金属之间，热膨胀系数小且具有各向异性，耐腐蚀性好，x射线透过性好等。炭/炭复合材料的基体材料也为碳，从而，由炭/炭复合材料不仅可以具有石墨材料所具有的优异性能，如良好的导电性、导热性，优秀的摩擦性能，很高的熔点和化学稳定性等，还具备很高的强度。因此，由炭/炭复合材料制成的构件，可以替代石墨材料，而在使用性能、寿命等方面极大地优于石墨材料。
3.碳基体的形成方式以及密度是决定炭/炭复合材料性能的主要因素，cvd工艺是制备高性能炭/炭复合材料的主要技术，也是目前国内外制备碳刹车盘的主流技术手段。该工艺是将编织好的具有多孔结构的碳刹车盘预制体先进行高温热处理，然后装入化学气相沉积炉内，在一定的温度和压强之下，通入碳源气体（通常为丙烯、丙烷、甲烷等）进行裂解，生成的热解碳不断地沉积到预制体中的孔隙之中，使其逐渐致密化。
4.cvd工艺具有工艺简单、产品性能优良且稳定、产品不受几何形状限制、适合大批量工业化生产等特点，但是，该工艺也存在明显的缺点，例如热解碳易在预制体表面沉积形成结壳，造成预制体中心部位密度低等。


技术实现要素：

5.为了克服现有的预制体表面沉积形成结壳、造成预制体中心部位密度低的不足，本实用新型提供了一种变孔隙孔径的炭/炭复合材料刹车盘预制体。
6.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种变孔隙孔径的炭/炭复合材料刹车盘预制体，所述预制体通过无纬布和碳纤维网胎通过针刺正交编织而成并形成孔隙，所述预制体沿厚度方向中心孔隙的平均孔径小于表面孔隙的平均孔径。
7.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述预制体中心至表面孔隙的平均孔径渐变式增大。
8.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述预制体中心至表面孔隙的平均孔径阶梯式增大。
9.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述无纬布和碳纤维网胎叠层形成单元层，各单元层自上而下通过逐层交叉连续针刺连接。
10.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述碳纤维网胎的长度为40～
45mm。
11.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述单元层为12～16层/cm。
12.本实用新型的有益效果是，通过控制预制体厚度方向上中心至表面孔隙的孔径，使得预制体厚度方向各部分具有不同的比表面积，使中心孔隙的平均孔径较小，而使表面孔隙的平均孔径较大，可以防止热解碳易在预制体表面沉积结壳，解决预制体中心部位无法沉积热解碳而密度低的技术问题，保证预制体由表面至中心的密度均一。
附图说明
13.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
14.图1是本实用新型实施例一的示意图；
15.图2是本实用新型实施例二的示意图；
16.图3是单元层的示意图；
17.图4是预制体尺寸示意图。
18.图中1、无纬布，2、碳纤维网胎，3、孔隙，4、单元层。
具体实施方式
19.如图1至4是本实用新型的结构示意图，一种变孔隙孔径的炭/炭复合材料刹车盘预制体，其特征是，所述预制体通过无纬布1和碳纤维网胎2通过针刺正交编织而成并形成孔隙3，所述预制体沿厚度方向中心孔隙3的平均孔径小于表面孔隙3的平均孔径。
20.具体而言，通过控制预制体厚度方向上中心至表面孔隙3的孔径，使得预制体厚度方向各部分具有不同的比表面积，使中心孔隙3的平均孔径较小，而使表面孔隙3的平均孔径较大，可以防止热解碳易在预制体表面沉积结壳，解决预制体中心部位无法沉积热解碳而密度低的技术问题，保证预制体由表面至中心的密度均一。
21.值得一提的，针刺正交编织工艺是一种应用较为广泛的制作预制体的方法，其将无纬布和碳纤维网胎铺放后，采用棱边上带有倒钩的特殊功能的刺针进行针刺，依靠倒钩将碳纤维网胎携带至z向，引入垂直纤维簇，使无纬布和碳纤维网胎相互缠结，相互约束，形成平面和层间均具有一定强度的预制体结构。
22.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述预制体中心至表面孔隙3的平均孔径渐变式增大。
23.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述预制体中心至表面孔隙3的平均孔径阶梯式增大。
24.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述无纬布1和碳纤维网胎2叠层形成单元层4，各单元层4自上而下通过逐层交叉连续针刺连接。
25.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述碳纤维网胎2的长度为40～45mm。碳纤维网胎2的长度在40～50mm均可，优选为40～45mm。
26.根据本实用新型的另一个实施例，进一步包括，所述单元层4为12～16层/cm。
27.为了加深对本实用新型的理解，制作刹车盘动盘预制体，其中，圆盘外径为436mm，内径232mm，厚度为30 mm。
28.实施例一（孔径渐变型）
29.利用0/90无纬布和碳纤维网胎叠层，按“0无纬布/网胎/90无纬布/网胎/0无纬布/网胎/
…”
的顺序，通过针刺正交编织刹车盘预制件，每个单元层4的结构如图3所示，其中网胎碳纤维长度为40~50mm，面密度60~120g/m2。具体包括如下步骤：
30.（1）将碳纤维切制成长度为40~50mm，铺设成面密度分别为60~80，80~100，100~120 g/m2的网胎。
31.（2）在0无纬布铺设一层100~120 g/m2的网胎，网胎层上铺设一层90无纬布，再在90无纬布继续铺设100~120 g/m2的网胎，总计铺设约6层。边铺设，边进行自上而下的逐层交叉连续针刺，针刺密度逐渐由50针/cm2增加到60针/cm2。
32.（3）在步骤（2）制得的预制体基础上，继续铺设无纬布/网胎，该层使用的网胎密度为80~100 g/m2，总计铺设约7层。铺设过程，进行自上而下的逐层交叉连续针刺，针刺密度逐渐由50针/cm2增加到60针/cm
2.
。
33.（4）在步骤（3）制得的预制体基础上，继续铺设无纬布/网胎，该层使用的网胎密度为60~80 g/m2，总计铺设约16层。铺设过程，进行自上而下的逐层交叉连续针刺，针刺密度逐渐由50针/cm2增加到60针/cm2，铺设8个单元层后，针刺密度由60针/cm2逐渐减小到50针/cm2。
34.（5）在步骤（4）制得的预制体基础上，依次重复步骤（3）和步骤（2），得到最终预制体。
35.实施例二（孔径阶梯式变化）
36.利用0/90无纬布和碳纤维网胎叠层，按“0无纬布/网胎/90无纬布/网胎/0无纬布/网胎/
…”
的顺序，通过针刺正交编织预制体，每个单元层4的结构如图3所示，其中网胎碳纤维长度为40~50mm，面密度60~120g/m2。具体包括如下步骤：
37.（1）将碳纤维切制成长度为40~50mm，铺设成面密度分别为60~80，80~100，100~120 g/m2的网胎。
38.（2）在0无纬布铺设一层60~80 g/m2的网胎，网胎层上铺设一层90无纬布，再在90无纬布上铺设60~80 g/m2的网胎，总计铺设约16层，进行自上而下的逐层交叉连续针刺，针刺密度为60针/cm2。
39.（3）在步骤（2）制得的预制体基础上，上、下对称各按“0无纬布/网胎/90无纬布/网胎”铺设，其中网胎的面密度为80~100 g/m2，总计铺设约7层，进行自上而下的逐层交叉连续针刺，针刺密度为55针/cm2。
40.（4）在步骤（3）制得的预制体基础上，上、下对称按“0无纬布/网胎/90无纬布/网胎”铺设，其中网胎的面密度为100~120 g/m2，总计铺设约6层，进行自上而下的逐层交叉连续针刺，针刺密度为50针/cm2。
41.实施例一和实施例二通过控制单元层4内无纬布1和碳纤维网胎2的构成比例以及针刺密度的大小，来控制预制体孔隙3的大小。实施例一的孔隙3平均孔径为渐变型，实施例二的孔隙3平均孔径呈阶梯变化。
42.以上说明对本实用新型而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本实用新型的保护范围内。