专利名称：制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法
技术领域：
本发明涉及飞机上用制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法。
背景技术：
目前所用预制体为正交编织工艺，每层间长纤维垂直走向，成形后为正方形，再切成园环形。这种编制工艺生产的预制体材料利用率低碳/碳复合材料飞机碳刹车盘制造中所使用的预制体均为长纤维正交加预氧丝网胎(也称碳毡层)，重叠针刺成方形件，再切成环形后用于碳沉积，除环形外的材料全部废弃，这样材料的利用率很低。按B757、A320等型号飞机碳刹车盘所用的预制体计算，其材料的利用率是M%，有46%的材料为边角料而报废。且目前所用的原料均是日本的东丽、 或东邦生产的1 碳纤维，由于价格高，每公斤预制体千元以上(含边角料供应)成本很尚ο在国家知识产权局网上查得2006年4月19日公告了名称为“炭/炭复合材料刹车盘的利记博彩app”专利，主要是基体的制作采用编织的方法，避免了传统方法中基体材料使用炭布、针刺炭毡、针刺炭纤维等，需要剪切、叠层的过程。炭/炭复合材料刹车盘的利记博彩app，主要包括基体的编织制作、基体成型、基体的气相沉积或浸树脂炭化、高温热处理、机械加工、防氧化处理、最后进行装配，其特征在于所述的基体的编织利记博彩app主要包括以下步骤a、准备好要使用的炭纤维或预氧丝；b、按照预先计算好的针距在直径可调的内外环上固定好编织针或调好织针；C、先沿X轴或径向方向编织一层，在0 90°范围内转动基体；d、再沿Y轴或环向方向编制一层，在0 90°范围内转动基体；e、重复a、b两步，直到达到要求厚度；f、根据基体厚度将Z向每次织入的纤维长度调好；g、将调好的纤维沿Z向用针织入，Z向针距可据要求任意调整，即可完成编织。在国家知识产权局网上又查得2006年5月10日公告了名称为“一种可针刺无纺织物及准三维预制件”专利，主要是涉及一种由聚丙烯腈基碳纤维预制薄层无纺织物及编织布，以及经多重交替叠层针刺形成的准三维预制件，克服了已有采用以长条OPF编织布为主叠层针刺预制件的缺陷。其由短纤维散乱叠合并针刺制成，所说短纤维为聚丙烯腈基碳纤维原体，经蒸汽或化学改性处理、机械松散、疏理、针刺成面密度为40-120克/米2的薄层无纺织物。三、技术内容本发明的目的是研制一种制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法。提高原材料的利用率和加工产品的质量。同时改变长纤维的正交排列，达到机械性能各向的一致性，提高碳刹车盘的摩擦特性、力学特性和综合性能。目前，本发明的非正交预制体所产生的碳盘使用寿命可提高一倍。
本发明的技术解决方案(为了方便理解技术内容，同时参看附图及
，标号位于括号内。)碳/碳复合材料刹车盘环形预制体，其特征是由各单元层(8)在α为 10° 85°角度之间层层依次旋转角度、上下复合叠加铺设、反复垂直针刺，加压制成密度为0. 5 0. 58克/厘米2、内径为200 300毫米，外径为500 600毫米，高度为30 36 毫米的环形预制体。本发明的技术解决方案还包括制造所述的碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是制作步骤如下a、在常温常压下将一层聚丙烯型碳纤维长丝(1)和一层聚丙烯腈基预氧丝网胎 (2)下上重叠平铺形成“1+1结构”，用针刺机经垂直针刺固定成长卷形“毡体”；其针刺密度为10 30针/cm2 ；b、用样板将该毡体下料成两两对称的四块，经排样使余量最小，将四块拼成一层园环形，内径为200 300毫米，外径为500 600毫米，构成碳毡零件“单元层(8)，，；C、将上述各单元层(8)按长纤维的方向在α = 10° 85°角度之间选定一个角度或者选定一个角度范围，层层依次旋转该α角度或者该α角度范围、再上下复合叠加铺设，当铺到单元层(8)为5-10层时，开始用针刺机上下针刺，使聚丙烯型碳纤维长丝(1)中的长纤维上下拉紧定位，完成一个环形针刺后成为一个单一 “毡体”；在此基础上再铺下一个单元层，再重复一次针刺，如此循环将各个单元层针刺后拉紧固定一个环形的完整的“毡体”，加压制成达到所要求厚度为30 36毫米、密度为0. 5 0. 58克/厘米2时，完成整个环形预制体(9)的编织工艺。所述的制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是将上述单元层(8)按长纤维的方向在α = 10° 85°角度之间选定一个角度，该角度是15°、 30°、45°、60°、75° 特殊角度。所述的制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是将上述单元层(8)按长纤维的方向在α =10° 85°角度之间选定一个角度，该角度是 38° -42°范围，最佳是40°特殊角度。所述的制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是将一层聚丙烯型碳纤维长丝(1)和一层聚丙烯腈基预氧丝网胎(2)下上重叠平铺形成“1+1结构”， 其两者质量比例为7 3。所述的制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是将一层聚丙烯型碳纤维长丝(1)和一层聚丙烯腈基预氧丝网胎(2)下上重叠平铺形成“1+1结构”， 用针刺机经垂直针刺固定成长卷形“毡体”，其针刺密度为9 30针/cm2 ；将上述单元层按长纤维的方向在10° 85°角度之间选定一个角度，层层依次旋转该角度、上下复合叠加铺设，用针刺机上下针刺固定，其针刺密度为9 64针/cm2。本发明的优点和效果1、优点由于采用了剪裁拼接方法，故节约原材料可达40%以上；可编织非正交预制体，达到设计所要求的不同长纤维的夹角的结构，提高了机械强度的均勻性，提高飞机碳刹车盘的使用寿命；使用国产碳纤维长丝和预氧丝网胎“1+1”混合结构，能够满足飞机碳刹车盘性能要求，又可降低成本；工艺简单，容易实现大规模化的生产。
2、效果经申请人采用本发明生产的预制体沉积的碳/碳复合材料刹车盘，不但工艺简单易于实现，而且通过小样检测各项机械性能均勻，检测后各项性能数据离散性小， 并且经微观检测碳沉积后易形成摩擦材料所需要的粗糙组织；提高了碳刹车盘的使用寿命，碳盘的摩擦性能也得到了改善。经大样的惯性台动力试验，力矩曲线光滑平稳，摩擦性能好，易于满足适航条件。经装机使用，刹车性能满足适航要求。
四
图1是现有技术制成预制体的平面结构示意图；图2是“1+1结构”经垂直针刺固定成长卷形毡体结构示意图；图3是用样板将毡体下料成两两对称的四块，构成碳毡零件“单元层”的第一种排样结构示意图；图4是用样板将毡体下料成两两对称的四块中的两块，和图5构成碳毡零件“单元层”的第二种排样结构示意图；图5是用样板将毡体下料成两两对称的四块中的两块，和图4构成碳毡零件“单元层”的第二种排样结构示意图；图6 是编织成整个环形预制体的剖面结构示意图；图7是图6中A-A剖第一个单元层结构示意图；图8是图6中B-B剖第二个单元层结构示意图；图9是图6中C-C剖第三个单元层结构示意图；图10是编织成三个环形单元体铺层的平面透视结构示意图；上述图中的标号说明1-聚丙烯型碳纤维长丝，简称长纤维；2-聚丙烯腈基预氧丝网胎，简称网胎；3-1/4环形单元层；4-1/4园缺单元层，5-第一层对缝，6-第二层对缝， 7-第三层对缝，8-单元层，9-预制体，D-刹车盘外径，d-刹车盘内径，δ-加工余量，α-对缝夹角，或者说各单元层按其长纤维方向相对铺设的夹角。
五具体实施例方式依附图作进一步的陈述，参见图1，这是原来市场销售的预制体9结构示意图，购买时以正方形2Χ (D+2 δ )面积计算，成本极高，如Β757、Α320、Β747、Α318、Α319、Α320等型号飞机碳刹车盘所用的预制体计算，环内空心和四周角都要废弃，尽管这是整张单元层上下复合叠加制成，性能可靠，但是成本过高。如果减少材料的废弃而拼接成环形飞机碳刹车盘样，在飞机碳刹车盘各个性能指标不受影响的条件下，碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法是申请人研究的目标。图中刹车盘外径D—般是可以> 600毫米，刹车盘内径d —般是< 200毫米，加工余量δ —般是20 30毫米。参见图2，在常温常压下将一层聚丙烯型碳纤维长丝1和一层聚丙烯腈基预氧丝网胎2下上重叠平铺形成“1+1结构”，用针刺机经垂直针刺，针上的倒钩使长纤维1上下拉起定位，如同过去做布鞋的纳鞋底子一样，上下的长纤维1固定“1+1结构”成长卷形“毡体”；一般针刺密度在0. 3——0.6范围，材料选自国内市场，如1 长纤维1，有不同的宽度， 厚度一般为1 3毫米；网胎2型号12K (注有的地方把聚丙烯腈基预氧丝网胎2也称作薄碳毡)，也有不同的宽度，厚度一般为0. 1 0. 5毫米。毡体中长纤维1和网胎2的质量比例在7 2 4范围，厚度在1.1 3. 5毫米。参见图3，这是毡体裁剪成单元层8的第一种方案，其宽度为H1 = d+2 δ，同时参看图7，一环形单元层8分为四块，两两对称，两个1/4园缺单元层3和两个1/4环形单元层4 组成或者拼成一个环形的单元层8，这样经过裁剪后余量最小，和原来相比减少(或者说节省了 )40%ο
参见图4和图5，这是毡体裁剪成单元层8的第二种方案，图4和图3 —样，其毡体宽度为H1 = d+2 δ，用于剪裁1/4环形单元层3 ；图5其毡体宽度为H2 = (D-d) /2+2 δ，用于剪裁1/4园缺单元层4，同理四块组成或者拼成一个环形的单元层8，经过裁剪后余量最小，和原来相比减少(或者说节省了)40%。参见图6、图7、图8和图9，预制体9是由多个单元层8经过针刺、加压固定成一定密度、有加工余量的、还未热处理的圆环形盘体，其中每个单元层8由四块经过针刺固定组成，多个单元层8依次上下平铺是有角度要求的，过去是正交(90° )，现在用非正交排列，这是本发明的主要特点，(同时参看图10)单元层8按长纤维的方向在10° 85°角度之间选定一个α角度或者选定一个角度范围，如选定一个α = 15° (或者30°、45°、 60°、75°、85°、35°、40°、50°、65°等均可)角度，或者选定一个；35° 50°角度范围 (当然其他角度 15° 30°、30° 45°、45° 55°、55° 70°、70° 80°、80° 85°范围均可)，层层依次旋转该α角度或者该角度范围、上下复合叠加铺设，当铺到5-10 层时，开始用针刺机上下针刺，使碳纤维长丝无纬布1中的长纤维上下拉紧定位，完成一个环形针刺后成为一个环形“多元层”;在此基础上再铺设下一个多元层，再重复一次针刺，如此循环将各个多元层针刺后拉紧固定成一个环形的完整的盘体，再加压制成达到所要求的厚度30 36毫米、密度为0. 5 0. 58克/厘米2时，完成整个环形预制体的编织工艺。再经过热处理后称作“碳刹车盘坯体”。需要强调的是将上述单元层按长纤维的方向在38° 42°角度之间选定一个角度，最佳是40°特殊角度，这是因为目前所有机型的碳刹车盘均采用9个键齿，也就说碳刹车盘一个360°周圈有9个齿分布，平均各齿夹角为40°，此角度碳刹车盘键齿受应力最好，使用寿命较长。由于键齿有个弧长，故有个角度范围是容许的，这里采用了 38° 42° 角度之间，或者说角度选定在40° 士2°为好。参看图10，这是平面铺设的透视图，如α =40°角度铺设，三层单元层8上下叠加转着铺设，第一层对缝5，第二层对缝6，第三层对缝7，一般如此反复大约铺设30 40层单元层8。经过针刺、加压后达到所需的密度、尺寸完成整个本发明。
权利要求
1.碳/碳复合材料刹车盘环形预制体，其特征是由各单元层(8)在α为10° 85° 角度之间层层依次旋转角度、上下复合叠加铺设、反复垂直针刺，加压制成密度为0. 5 0. 58克/厘米2、内径为200 300毫米，外径为500 600毫米，高度为30 36毫米的环形预制体。
2.制造权利要求1所述的碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是 制作步骤如下a、在常温常压下将一层聚丙烯型碳纤维长丝(1)和一层聚丙烯腈基预氧丝网胎(2) 下上重叠平铺形成“1+1结构”，用针刺机经垂直针刺固定成长卷形“毡体”；其针刺密度为 10 30 针 /cm2 ；b、用样板将该毡体下料成两两对称的四块，经排样使余量最小，将四块拼成一层园环形，内径为200 300毫米，外径为500 600毫米，构成碳毡零件“单元层(8)，，；C、将上述各单元层(8)按长纤维的方向在α = 10° 85°角度之间选定一个角度或者选定一个角度范围，层层依次旋转该α角度或者该α角度范围、再上下复合叠加铺设，当铺到单元层(8)为5-10层时，开始用针刺机上下针刺，使聚丙烯型碳纤维长丝(1)中的长纤维上下拉紧定位，完成一个环形针刺后成为一个单一 “毡体”；在此基础上再铺下一个单元层，再重复一次针刺，如此循环将各个单元层针刺后拉紧固定一个环形的完整的“毡体”，加压制成达到所要求厚度为30 36毫米、密度为0. 5 0. 58克/厘米2时，完成整个环形预制体(9)的编织工艺。
3.根据权利要求2所述的制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是将上述单元层(8)按长纤维的方向在α = 10° 85°角度之间选定一个角度，该角度是 15°、30°、45°、60°、75° 特殊角度。
4.根据权利要求2所述的制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是将上述单元层(8)按长纤维的方向在α = 10° 85°角度之间选定一个角度，该角度是38° -42°范围，最佳是40°特殊角度。
5.根据权利要求2所述的制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是将一层聚丙烯型碳纤维长丝(1)和一层聚丙烯腈基预氧丝网胎( 下上重叠平铺形成“1+1结构”，其两者质量比例为7 3。
6.根据权利要求2所述的制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体编织工艺方法，其特征是将一层聚丙烯型碳纤维长丝(1)和一层聚丙烯腈基预氧丝网胎( 下上重叠平铺形成“1+1结构”，用针刺机经垂直针刺固定成长卷形“毡体”，其针刺密度为9 30针/cm2 ；将上述单元层按长纤维的方向在10° 85°角度之间选定一个角度，层层依次旋转该角度、 上下复合叠加铺设，用针刺机上下针刺固定，其针刺密度为9 64针/cm2。
全文摘要
本发明涉及飞机上用制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法。目前所用预制体为正交编织工艺，每层间长纤维垂直走向，成形后为正方形，再切成圆环形。材料利用率低。本发明的目的是研制一种制造碳/碳复合材料刹车盘环形预制体及其编织工艺方法。方法是由各单元层在α为10°～85°角度之间层层依次旋转角度、上下复合叠加铺设、反复垂直针刺，加压制成密度为0.5～0.58克/厘米2、内径为200～300毫米，外径为500～600毫米，高度为30～36毫米的环形预制体。优点是提高原材料的利用率和加工产品的质量，同时采用长纤维的非正交排列，达到机械性能各向的一致性，提高碳刹车盘的使用寿命和综合性能。
文档编号B32B27/08GK102152555SQ201010529
公开日2011年8月17日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者余威, 余强, 余遂海 申请人:陕西蓝太航空设备有限责任公司