專利名稱：制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體及其編織工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛機上用制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體及其編織工藝方法。
背景技術(shù)：
目前所用預(yù)制體為正交編織工藝，每層間長纖維垂直走向，成形后為正方形，再切成園環(huán)形。這種編制工藝生產(chǎn)的預(yù)制體材料利用率低碳/碳復(fù)合材料飛機碳剎車盤制造中所使用的預(yù)制體均為長纖維正交加預(yù)氧絲網(wǎng)胎(也稱碳氈層)，重疊針刺成方形件，再切成環(huán)形后用于碳沉積，除環(huán)形外的材料全部廢棄，這樣材料的利用率很低。按B757、A320等型號飛機碳剎車盤所用的預(yù)制體計算，其材料的利用率是M%，有46%的材料為邊角料而報廢。且目前所用的原料均是日本的東麗、 或東邦生產(chǎn)的1 碳纖維，由于價格高，每公斤預(yù)制體千元以上(含邊角料供應(yīng))成本很尚ο在國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)上查得2006年4月19日公告了名稱為“炭/炭復(fù)合材料剎車盤的制作方法”專利，主要是基體的制作采用編織的方法，避免了傳統(tǒng)方法中基體材料使用炭布、針刺炭氈、針刺炭纖維等，需要剪切、疊層的過程。炭/炭復(fù)合材料剎車盤的制作方法，主要包括基體的編織制作、基體成型、基體的氣相沉積或浸樹脂炭化、高溫?zé)崽幚?、機械加工、防氧化處理、最后進行裝配，其特征在于所述的基體的編織制作方法主要包括以下步驟a、準(zhǔn)備好要使用的炭纖維或預(yù)氧絲；b、按照預(yù)先計算好的針距在直徑可調(diào)的內(nèi)外環(huán)上固定好編織針或調(diào)好織針；C、先沿X軸或徑向方向編織一層，在0 90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動基體；d、再沿Y軸或環(huán)向方向編制一層，在0 90°范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動基體；e、重復(fù)a、b兩步，直到達到要求厚度；f、根據(jù)基體厚度將Z向每次織入的纖維長度調(diào)好；g、將調(diào)好的纖維沿Z向用針織入，Z向針距可據(jù)要求任意調(diào)整，即可完成編織。在國家知識產(chǎn)權(quán)局網(wǎng)上又查得2006年5月10日公告了名稱為“一種可針刺無紡織物及準(zhǔn)三維預(yù)制件”專利，主要是涉及一種由聚丙烯腈基碳纖維預(yù)制薄層無紡織物及編織布，以及經(jīng)多重交替疊層針刺形成的準(zhǔn)三維預(yù)制件，克服了已有采用以長條OPF編織布為主疊層針刺預(yù)制件的缺陷。其由短纖維散亂疊合并針刺制成，所說短纖維為聚丙烯腈基碳纖維原體，經(jīng)蒸汽或化學(xué)改性處理、機械松散、疏理、針刺成面密度為40-120克/米2的薄層無紡織物。三、技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的是研制一種制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體及其編織工藝方法。提高原材料的利用率和加工產(chǎn)品的質(zhì)量。同時改變長纖維的正交排列，達到機械性能各向的一致性，提高碳剎車盤的摩擦特性、力學(xué)特性和綜合性能。目前，本發(fā)明的非正交預(yù)制體所產(chǎn)生的碳盤使用壽命可提高一倍。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案(為了方便理解技術(shù)內(nèi)容，同時參看附圖及


，標(biāo)號位于括號內(nèi)。)碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體，其特征是由各單元層(8)在α為 10° 85°角度之間層層依次旋轉(zhuǎn)角度、上下復(fù)合疊加鋪設(shè)、反復(fù)垂直針刺，加壓制成密度為0. 5 0. 58克/厘米2、內(nèi)徑為200 300毫米，外徑為500 600毫米，高度為30 36 毫米的環(huán)形預(yù)制體。本發(fā)明的技術(shù)解決方案還包括制造所述的碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是制作步驟如下a、在常溫常壓下將一層聚丙烯型碳纖維長絲(1)和一層聚丙烯腈基預(yù)氧絲網(wǎng)胎 (2)下上重疊平鋪形成“1+1結(jié)構(gòu)”，用針刺機經(jīng)垂直針刺固定成長卷形“氈體”；其針刺密度為10 30針/cm2 ；b、用樣板將該氈體下料成兩兩對稱的四塊，經(jīng)排樣使余量最小，將四塊拼成一層園環(huán)形，內(nèi)徑為200 300毫米，外徑為500 600毫米，構(gòu)成碳氈零件“單元層(8)，，；C、將上述各單元層(8)按長纖維的方向在α = 10° 85°角度之間選定一個角度或者選定一個角度范圍，層層依次旋轉(zhuǎn)該α角度或者該α角度范圍、再上下復(fù)合疊加鋪設(shè)，當(dāng)鋪到單元層(8)為5-10層時，開始用針刺機上下針刺，使聚丙烯型碳纖維長絲(1)中的長纖維上下拉緊定位，完成一個環(huán)形針刺后成為一個單一 “氈體”；在此基礎(chǔ)上再鋪下一個單元層，再重復(fù)一次針刺，如此循環(huán)將各個單元層針刺后拉緊固定一個環(huán)形的完整的“氈體”，加壓制成達到所要求厚度為30 36毫米、密度為0. 5 0. 58克/厘米2時，完成整個環(huán)形預(yù)制體(9)的編織工藝。所述的制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是將上述單元層(8)按長纖維的方向在α = 10° 85°角度之間選定一個角度，該角度是15°、 30°、45°、60°、75° 特殊角度。所述的制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是將上述單元層(8)按長纖維的方向在α =10° 85°角度之間選定一個角度，該角度是 38° -42°范圍，最佳是40°特殊角度。所述的制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是將一層聚丙烯型碳纖維長絲(1)和一層聚丙烯腈基預(yù)氧絲網(wǎng)胎(2)下上重疊平鋪形成“1+1結(jié)構(gòu)”， 其兩者質(zhì)量比例為7 3。所述的制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是將一層聚丙烯型碳纖維長絲(1)和一層聚丙烯腈基預(yù)氧絲網(wǎng)胎(2)下上重疊平鋪形成“1+1結(jié)構(gòu)”， 用針刺機經(jīng)垂直針刺固定成長卷形“氈體”，其針刺密度為9 30針/cm2 ；將上述單元層按長纖維的方向在10° 85°角度之間選定一個角度，層層依次旋轉(zhuǎn)該角度、上下復(fù)合疊加鋪設(shè)，用針刺機上下針刺固定，其針刺密度為9 64針/cm2。本發(fā)明的優(yōu)點和效果1、優(yōu)點由于采用了剪裁拼接方法，故節(jié)約原材料可達40%以上；可編織非正交預(yù)制體，達到設(shè)計所要求的不同長纖維的夾角的結(jié)構(gòu)，提高了機械強度的均勻性，提高飛機碳剎車盤的使用壽命；使用國產(chǎn)碳纖維長絲和預(yù)氧絲網(wǎng)胎“1+1”混合結(jié)構(gòu)，能夠滿足飛機碳剎車盤性能要求，又可降低成本；工藝簡單，容易實現(xiàn)大規(guī)模化的生產(chǎn)。
2、效果經(jīng)申請人采用本發(fā)明生產(chǎn)的預(yù)制體沉積的碳/碳復(fù)合材料剎車盤，不但工藝簡單易于實現(xiàn)，而且通過小樣檢測各項機械性能均勻，檢測后各項性能數(shù)據(jù)離散性小， 并且經(jīng)微觀檢測碳沉積后易形成摩擦材料所需要的粗糙組織；提高了碳剎車盤的使用壽命，碳盤的摩擦性能也得到了改善。經(jīng)大樣的慣性臺動力試驗，力矩曲線光滑平穩(wěn)，摩擦性能好，易于滿足適航條件。經(jīng)裝機使用，剎車性能滿足適航要求。
四
圖1是現(xiàn)有技術(shù)制成預(yù)制體的平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是“1+1結(jié)構(gòu)”經(jīng)垂直針刺固定成長卷形氈體結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是用樣板將氈體下料成兩兩對稱的四塊，構(gòu)成碳氈零件“單元層”的第一種排樣結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是用樣板將氈體下料成兩兩對稱的四塊中的兩塊，和圖5構(gòu)成碳氈零件“單元層”的第二種排樣結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是用樣板將氈體下料成兩兩對稱的四塊中的兩塊，和圖4構(gòu)成碳氈零件“單元層”的第二種排樣結(jié)構(gòu)示意圖；圖6 是編織成整個環(huán)形預(yù)制體的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖7是圖6中A-A剖第一個單元層結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是圖6中B-B剖第二個單元層結(jié)構(gòu)示意圖；圖9是圖6中C-C剖第三個單元層結(jié)構(gòu)示意圖；圖10是編織成三個環(huán)形單元體鋪層的平面透視結(jié)構(gòu)示意圖；上述圖中的標(biāo)號說明1-聚丙烯型碳纖維長絲，簡稱長纖維；2-聚丙烯腈基預(yù)氧絲網(wǎng)胎，簡稱網(wǎng)胎；3-1/4環(huán)形單元層；4-1/4園缺單元層，5-第一層對縫，6-第二層對縫， 7-第三層對縫，8-單元層，9-預(yù)制體，D-剎車盤外徑，d-剎車盤內(nèi)徑，δ-加工余量，α-對縫夾角，或者說各單元層按其長纖維方向相對鋪設(shè)的夾角。
五具體實施例方式依附圖作進一步的陳述，參見圖1，這是原來市場銷售的預(yù)制體9結(jié)構(gòu)示意圖，購買時以正方形2Χ (D+2 δ )面積計算，成本極高，如Β757、Α320、Β747、Α318、Α319、Α320等型號飛機碳剎車盤所用的預(yù)制體計算，環(huán)內(nèi)空心和四周角都要廢棄，盡管這是整張單元層上下復(fù)合疊加制成，性能可靠，但是成本過高。如果減少材料的廢棄而拼接成環(huán)形飛機碳剎車盤樣，在飛機碳剎車盤各個性能指標(biāo)不受影響的條件下，碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法是申請人研究的目標(biāo)。圖中剎車盤外徑D—般是可以> 600毫米，剎車盤內(nèi)徑d —般是< 200毫米，加工余量δ —般是20 30毫米。參見圖2，在常溫常壓下將一層聚丙烯型碳纖維長絲1和一層聚丙烯腈基預(yù)氧絲網(wǎng)胎2下上重疊平鋪形成“1+1結(jié)構(gòu)”，用針刺機經(jīng)垂直針刺，針上的倒鉤使長纖維1上下拉起定位，如同過去做布鞋的納鞋底子一樣，上下的長纖維1固定“1+1結(jié)構(gòu)”成長卷形“氈體”；一般針刺密度在0. 3——0.6范圍，材料選自國內(nèi)市場，如1 長纖維1，有不同的寬度， 厚度一般為1 3毫米；網(wǎng)胎2型號12K (注有的地方把聚丙烯腈基預(yù)氧絲網(wǎng)胎2也稱作薄碳氈)，也有不同的寬度，厚度一般為0. 1 0. 5毫米。氈體中長纖維1和網(wǎng)胎2的質(zhì)量比例在7 2 4范圍，厚度在1.1 3. 5毫米。參見圖3，這是氈體裁剪成單元層8的第一種方案，其寬度為H1 = d+2 δ，同時參看圖7，一環(huán)形單元層8分為四塊，兩兩對稱，兩個1/4園缺單元層3和兩個1/4環(huán)形單元層4 組成或者拼成一個環(huán)形的單元層8，這樣經(jīng)過裁剪后余量最小，和原來相比減少(或者說節(jié)省了 )40%ο
參見圖4和圖5，這是氈體裁剪成單元層8的第二種方案，圖4和圖3 —樣，其氈體寬度為H1 = d+2 δ，用于剪裁1/4環(huán)形單元層3 ；圖5其氈體寬度為H2 = (D-d) /2+2 δ，用于剪裁1/4園缺單元層4，同理四塊組成或者拼成一個環(huán)形的單元層8，經(jīng)過裁剪后余量最小，和原來相比減少(或者說節(jié)省了)40%。參見圖6、圖7、圖8和圖9，預(yù)制體9是由多個單元層8經(jīng)過針刺、加壓固定成一定密度、有加工余量的、還未熱處理的圓環(huán)形盤體，其中每個單元層8由四塊經(jīng)過針刺固定組成，多個單元層8依次上下平鋪是有角度要求的，過去是正交(90° )，現(xiàn)在用非正交排列，這是本發(fā)明的主要特點，(同時參看圖10)單元層8按長纖維的方向在10° 85°角度之間選定一個α角度或者選定一個角度范圍，如選定一個α = 15° (或者30°、45°、 60°、75°、85°、35°、40°、50°、65°等均可)角度，或者選定一個；35° 50°角度范圍 (當(dāng)然其他角度 15° 30°、30° 45°、45° 55°、55° 70°、70° 80°、80° 85°范圍均可)，層層依次旋轉(zhuǎn)該α角度或者該角度范圍、上下復(fù)合疊加鋪設(shè)，當(dāng)鋪到5-10 層時，開始用針刺機上下針刺，使碳纖維長絲無緯布1中的長纖維上下拉緊定位，完成一個環(huán)形針刺后成為一個環(huán)形“多元層”;在此基礎(chǔ)上再鋪設(shè)下一個多元層，再重復(fù)一次針刺，如此循環(huán)將各個多元層針刺后拉緊固定成一個環(huán)形的完整的盤體，再加壓制成達到所要求的厚度30 36毫米、密度為0. 5 0. 58克/厘米2時，完成整個環(huán)形預(yù)制體的編織工藝。再經(jīng)過熱處理后稱作“碳剎車盤坯體”。需要強調(diào)的是將上述單元層按長纖維的方向在38° 42°角度之間選定一個角度，最佳是40°特殊角度，這是因為目前所有機型的碳剎車盤均采用9個鍵齒，也就說碳剎車盤一個360°周圈有9個齒分布，平均各齒夾角為40°，此角度碳剎車盤鍵齒受應(yīng)力最好，使用壽命較長。由于鍵齒有個弧長，故有個角度范圍是容許的，這里采用了 38° 42° 角度之間，或者說角度選定在40° 士2°為好。參看圖10，這是平面鋪設(shè)的透視圖，如α =40°角度鋪設(shè)，三層單元層8上下疊加轉(zhuǎn)著鋪設(shè)，第一層對縫5，第二層對縫6，第三層對縫7，一般如此反復(fù)大約鋪設(shè)30 40層單元層8。經(jīng)過針刺、加壓后達到所需的密度、尺寸完成整個本發(fā)明。
權(quán)利要求
1.碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體，其特征是由各單元層(8)在α為10° 85° 角度之間層層依次旋轉(zhuǎn)角度、上下復(fù)合疊加鋪設(shè)、反復(fù)垂直針刺，加壓制成密度為0. 5 0. 58克/厘米2、內(nèi)徑為200 300毫米，外徑為500 600毫米，高度為30 36毫米的環(huán)形預(yù)制體。
2.制造權(quán)利要求1所述的碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是 制作步驟如下a、在常溫常壓下將一層聚丙烯型碳纖維長絲(1)和一層聚丙烯腈基預(yù)氧絲網(wǎng)胎(2) 下上重疊平鋪形成“1+1結(jié)構(gòu)”，用針刺機經(jīng)垂直針刺固定成長卷形“氈體”；其針刺密度為 10 30 針 /cm2 ；b、用樣板將該氈體下料成兩兩對稱的四塊，經(jīng)排樣使余量最小，將四塊拼成一層園環(huán)形，內(nèi)徑為200 300毫米，外徑為500 600毫米，構(gòu)成碳氈零件“單元層(8)，，；C、將上述各單元層(8)按長纖維的方向在α = 10° 85°角度之間選定一個角度或者選定一個角度范圍，層層依次旋轉(zhuǎn)該α角度或者該α角度范圍、再上下復(fù)合疊加鋪設(shè)，當(dāng)鋪到單元層(8)為5-10層時，開始用針刺機上下針刺，使聚丙烯型碳纖維長絲(1)中的長纖維上下拉緊定位，完成一個環(huán)形針刺后成為一個單一 “氈體”；在此基礎(chǔ)上再鋪下一個單元層，再重復(fù)一次針刺，如此循環(huán)將各個單元層針刺后拉緊固定一個環(huán)形的完整的“氈體”，加壓制成達到所要求厚度為30 36毫米、密度為0. 5 0. 58克/厘米2時，完成整個環(huán)形預(yù)制體(9)的編織工藝。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是將上述單元層(8)按長纖維的方向在α = 10° 85°角度之間選定一個角度，該角度是 15°、30°、45°、60°、75° 特殊角度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是將上述單元層(8)按長纖維的方向在α = 10° 85°角度之間選定一個角度，該角度是38° -42°范圍，最佳是40°特殊角度。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是將一層聚丙烯型碳纖維長絲(1)和一層聚丙烯腈基預(yù)氧絲網(wǎng)胎( 下上重疊平鋪形成“1+1結(jié)構(gòu)”，其兩者質(zhì)量比例為7 3。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體編織工藝方法，其特征是將一層聚丙烯型碳纖維長絲(1)和一層聚丙烯腈基預(yù)氧絲網(wǎng)胎( 下上重疊平鋪形成“1+1結(jié)構(gòu)”，用針刺機經(jīng)垂直針刺固定成長卷形“氈體”，其針刺密度為9 30針/cm2 ；將上述單元層按長纖維的方向在10° 85°角度之間選定一個角度，層層依次旋轉(zhuǎn)該角度、 上下復(fù)合疊加鋪設(shè)，用針刺機上下針刺固定，其針刺密度為9 64針/cm2。
全文摘要
本發(fā)明涉及飛機上用制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體及其編織工藝方法。目前所用預(yù)制體為正交編織工藝，每層間長纖維垂直走向，成形后為正方形，再切成圓環(huán)形。材料利用率低。本發(fā)明的目的是研制一種制造碳/碳復(fù)合材料剎車盤環(huán)形預(yù)制體及其編織工藝方法。方法是由各單元層在α為10°～85°角度之間層層依次旋轉(zhuǎn)角度、上下復(fù)合疊加鋪設(shè)、反復(fù)垂直針刺，加壓制成密度為0.5～0.58克/厘米2、內(nèi)徑為200～300毫米，外徑為500～600毫米，高度為30～36毫米的環(huán)形預(yù)制體。優(yōu)點是提高原材料的利用率和加工產(chǎn)品的質(zhì)量，同時采用長纖維的非正交排列，達到機械性能各向的一致性，提高碳剎車盤的使用壽命和綜合性能。
文檔編號B32B27/08GK102152555SQ201010529
公開日2011年8月17日 申請日期2010年11月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年11月1日
發(fā)明者余威, 余強, 余遂海 申請人:陜西藍太航空設(shè)備有限責(zé)任公司