[发明专利]Z-pin增强碳/碳复合材料预制件制造方法及Z-pin冷冻拉挤植入一体机

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种      Z-pin增强碳/碳复合材料预制件制造方法及Z-pin冷冻拉挤植入一体机，属于碳/碳复合材料增强技术领域。

背景技术                                                                                                                          

碳/碳复合材料是以碳为基体，由碳纤维或其制品(碳毡或碳布)增强的复合材料。其制备的主要步骤为：预制体成型→致密化处理→最终高温热处理。预制件是由短切纤维、连续纤维或者二者按照一定比例混合来编织或模压等形式制成碳/碳制品，作为碳/碳复合材料的增强骨架。目前常用的增强预制件成型方法有三维编织成型、针刺缝合成型等。这些方法虽然提高了纤维三维增强中空碳/碳复合材料的整体性能，但是对纤维损伤较大增强效果不够明显。Z-pin增强技术是一种新型的对纤维损伤小，增强效果明显的增强方法。但碳纤维复合材料z-pin一般是由碳纤维浸润树脂固化后制得，碳/碳复合材料要求将增强材料Z-pin中树脂完全炭化，而Z-pin中树脂难以完全炭化，不仅增加成本还降低成品的最终整体性能。Z-pin增强技术一直应用于层合板的增强，还没有应用于碳/碳复合材料的报道。目前三维增强中空碳/碳复合材料的制备难点为如何将纯的增强碳纤维顺利植入到碳纤维编制布中而不损伤增强纤维和基体材料。

发明内容

本发明的目的是提供一种Z-pin增强碳/碳复合材料预制件制造工艺，解决了三维增强中碳纤维在植入碳纤维编织布过程中容易损伤的问题，保证了纯碳纤维Z-pin的顺利植入，提高了纤维三维增强中空复合材料抗分层、耐冲击等性能。

发明内容：

一种Z-pin增强碳/碳复合材料预制件制造方法，其特征在于包括以下过程：（1）、将碳纤维浸润沸点低于碳纤维最低炭化温度且不与碳纤维发生反应的介质；（2）、将浸润介质后的碳纤维在超低温冷却状态下，成型为直径为0.3-1mm的圆柱形冰冻Z-pin；（3）、将上述圆柱形冰冻Z-pin在超低温冷却状态下，植入到碳纤维编织布中；（4）、根据浸润介质的物理性质，在减压条件下或通过辅助加热使碳纤维编织布中增强Z-pin中的介质完全挥发。

实现上述述方法的Z-pin冷冻拉挤植入一体机，包括放纱装置、导向装置、浸液槽、拉挤模具、Z-pin导向装置、植入头、切刀、其特征在于：该一体机还包括超低温冷却室，上述拉挤模具、Z-pin导向装置和植入头位于超低温冷却室内。

有益效果：

上述方法对纤维损伤小，且Z-pin最终以纯碳纤维的形式存在，不仅降低制造成本，还提高产品的抗分层、耐冲击等性能。纯的碳纤维与碳纤维编织布一起进行致密化处理以及高温炭化处理，就能得到三维增强的碳/碳复合材料，保证材料的整体性能，有效的发挥了纤维复合材料Z-pin的增强效果。

上述冷冻拉挤植入一体机的超低温冷却室提供超低温环境将Z-pin迅速冷冻，保证了植入过程中Z-pin的刚度。

上述方法中步骤（2）、步骤（3）中的超低温冷却状态可以由液氮冷却方式实现。即所述的超低温冷却室内可以充满液氮。液氮是一种有效提供超低温冷却的物质，能够迅速将Z-pin冷冻，提高植入效率。

附图说明

图1为Z-pin拉挤植入一体机示意图；

图中标号名称：1、放纱装置，2、导向装置，3、浸液槽，4、超低温冷却室，5、拉挤模具，6、Z-pin导向装置，7、植入头，8、切刀，9、碳纤维编织布。

具体实施方式

以下实施例进一步阐明本发明内容，但不用于限制本发明的范围。

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式。将沸点低于预浸料最低固化温度且不与碳纤维发生反应的浸润介质，如水、酒精、丙酮等容易去除的介质放入到浸液槽3中，将碳纤维T300放在放纱装置1，经纤维导向装置2导向进入浸液槽3，浸润介质后的碳纤维通过超低温冷却室的拉挤模具5成型为圆柱形冰冻Z-pin，将冰冻的Z-pin利用超低温冷却室的植入头7植入到碳纤维编织布9中，根据浸润介质的物理性质，在减压条件下将Z-pin增强碳纤维编织布升到室温或稍稍升高温度，使其中增强Z-pin的浸润介质完全挥发，再将预制体进行碳/碳复合材料的致密化以及高温炭化等一系列处理，即得到纤维复合材料Z-pin增强的碳/碳复合材料。

具体实施方式二：结合具体实施方式一，说明本实施方式。具体实施方式一中的方法同样适用于其他型号的碳纤维。