抗热振预制体及其制备工艺
阅读说明：本技术 抗热振预制体及其制备工艺 (Thermal shock resistant preform and preparation process thereof ) 是由 张英丽 谢承启 李双珠 李心沂 姜云圣 李邦娴 王庆浩 曹子艺 李邦玲 于 2021-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及预制体技术领域,尤其是一种抗热振预制体,此外,还涉及一种抗热振预制体的制备工艺,该抗热振预制体包括由内至外依次设置的n层复合碳材层,每层复合碳材层均卷绕至首尾相对,其首端和尾端之间的位置为拼缝位置,相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间夹角的角度为α,其采用将相邻两层复合碳材层的拼缝位置对称,并偏移一个整圆被数量n等分的基数,以此调整复合碳材层的拼缝位置,大幅度的规律性的提高相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间的间距,相邻两层复合碳材层中位于内侧复合碳材层的拼缝位置处的剥离强度得到大幅度的增强,确保预制体具有优异的抗热振能力,防止预制体因热应力而产生纵缝裂纹。(The invention relates to the technical field of a prefabricated body, in particular to a thermal-vibration-resistant prefabricated body, and further relates to a preparation process of the thermal-vibration-resistant prefabricated body, wherein the thermal-vibration-resistant prefabricated body comprises n layers of composite carbon material layers which are sequentially arranged from inside to outside, each layer of composite carbon material layer is wound to be opposite from head to tail, the position between the head end and the tail end of the composite carbon material layer is a splicing position, the angle of an included angle between the splicing positions of two adjacent layers of composite carbon material layers is alpha, the splicing positions of two adjacent layers of composite carbon material layers are symmetrical, a base number of a whole circle which is equally divided by n is offset, the splicing positions of the composite carbon material layers are adjusted, the distance between the splicing positions of the two adjacent layers of composite carbon material layers is greatly and regularly improved, the peeling strength of the splicing positions of the inner side composite carbon material layers in the two adjacent layers of composite carbon material layers is greatly enhanced, and the prefabricated body is ensured to have excellent thermal-vibration resistance, prevent the preform from generating longitudinal crack due to thermal stress.)
技术领域
本发明涉及预制体技术领域，尤其是一种抗热振预制体，此外，还涉及一种抗热振预制体的制备工艺。
背景技术
在碳纤维预制体成型领域，大约有如下四类：针刺成型法、喷射(浇注)成型法、胶粘成型法、三维编织成型法；
针刺成型是类似“增材制造”的成型方法。具体的说，以坩埚预制体为例，其制造过程如下：先在准备好的坩埚模具上，铺设便于脱模的羊毛毡或EVA材料，之后铺设一层复合碳材(每层复合碳材均由一层碳布与一层碳毡组成)，之后固定，机械手针刺成型；之后再铺设第二层复合碳材，固定后，机械手再次针刺成型；直到完成全部的复合碳材的铺层、固定和针刺成型后，修整预制体制品，脱模后，获得预制体坩埚。
如图1所示，现有的坩埚预制体普遍采用“等分包覆法”，就是在制作坩埚的过程中，先确定复合碳材层1铺层的总层数，根据坩埚的厚度及机加工的余量(包括除去CVD过程热变形造成的外形变形和石墨化阶段热变形造成的外形变形)确定复合碳材层1的层数，一般的坩埚预制体的复合碳材层1的总层数为22层；如图2所示，这样在模具3上，将模具3的外径长度等分为22个等分点，22个等分点沿圆周方向依次为22个位置点4，将位置点4标记在模具3上，此后逐层依次包覆，即，相邻两层复合碳材层1其拼缝位置2之间夹角的角度均为度，也就是说相邻两层复合碳材层1其拼缝位置2之间的距离较短；复合碳材层1的拼缝位置2的层间结合力不够；
在上述情况下，一旦预制体坩埚在CVD阶段、石墨化阶段及单晶生产阶段温度变化所引起的热膨胀变形所产生的热应力超过了复合碳材的层间结合力，便会造成复合碳材的层间拉松，层间拉松形成纵缝微裂纹，纵缝微裂纹生长，最终导致坩埚预制体形成纵缝裂纹。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：为了解决现有技术中的预制体采用等分包覆法，导致预制体容易在热应力下形成纵缝裂纹的问题，现提供一种抗热振预制体，此外，还提供一种抗热振预制体的制备工艺。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种抗热振预制体，包括由内至外依次设置的n层复合碳材层，每层复合碳材层均卷绕至首尾相对，其首端和尾端之间的位置为拼缝位置，相邻两层复合碳材层中位于外侧的复合碳材层包覆住位于内侧的复合碳材层，相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间夹角的角度为α；
其中，
当n为偶数时，R的取值范围为：0.5≤R≤1.5；
当n为奇数时，R的取值范围为：0.5≤R≤1.5。
本方案中采用将相邻两层复合碳材层的拼缝位置对称，并偏移一个整圆被数量n等分的基数，以此调整复合碳材层的拼缝位置，大幅度的规律性的提高相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间的间距，相邻两层复合碳材层中位于内侧复合碳材层的拼缝位置处的剥离强度得到大幅度的增强，使之克服CVD阶段(包括石墨化阶段、单晶硅生长阶段)的温度变化造成的复合材料热变形形成的热应力，确保预制体具有优异的抗热振能力，防止预制体因热应力而产生纵缝裂纹。
进一步地，相邻两层复合碳材层之间通过针刺成型固定；由于相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间的距离增加了，故而相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间针刺产生的针孔的数量亦得到提升，进而可提高针刺强度。
进一步地，所述复合碳材层包括碳布层和碳毡层，所述碳布层平铺在碳毡层上。
进一步地，当n为偶数时，当n为奇数时， 即相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间的距离一致，并能够使所有拼缝位置绕预制体的中心呈圆周均匀分布，提升预制体的力学性能，亦便于生产管理和质量控制；而R在0.5-1.5的区间内但不等于1时，相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间的距离一致，所有拼缝位置绕预制体的中心呈圆周非均匀分布。
本发明还提供一种抗热振预制体的制备工艺，包括以下步骤：
将第一层复合碳材层包覆在预制体的模具上，随后将第二层复合碳材层包覆在第一层复合碳材层外，接着第三层复合碳材层包覆在第二层复合碳材层外，以此类推，直至完成第n层复合碳材层在第n-1层复合碳材层外的包覆；
其中，每层复合碳材层均卷绕至首尾相对，其首端和尾端之间的位置为拼缝位置，相邻两层复合碳材层中位于外侧的复合碳材层包覆住位于内侧的复合碳材层，相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间夹角的角度为α；
其中，
当n为偶数时，R的取值范围为：0.5≤R≤1.5；
当n为奇数时，R的取值范围为：0.5≤R≤1.5。
进一步地，当n为偶数时，当n为奇数时，
进一步地，每层复合碳材层包覆后，均进行针刺成型，随后再进行下一层的复合碳材层包覆；其中，每层复合碳材层均包括碳布层和碳毡层，碳布层平铺在碳毡层上。
进一步地，在第一层复合碳材层包覆在预制体的模具上之前，预先在预制体的模具上标记出每一层复合碳材层的拼缝位置所对应的位置点，每一复合碳材层按照其拼缝位置所对应的位置点进行包覆。
进一步地，首先在预制体的模具上铺设内衬层，而后将在第一层复合碳材层包覆在内衬层外，其中，内衬层的材质为EVA塑料或羊毛毡。
进一步地，所述预制体为坩埚预制体、导流筒预制体、喉管预制体或刹车盘预制体。
本发明的有益效果是：本发明的抗热振预制体采用将相邻两层复合碳材层的拼缝位置对称，并偏移一个整圆被数量n等分的基数，以此调整复合碳材层的拼缝位置，大幅度的规律性的提高相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间的间距，相邻两层复合碳材层中位于内侧复合碳材层的拼缝位置处的剥离强度得到大幅度的增强，使之克服CVD阶段(包括石墨化阶段、单晶硅生长阶段)的温度变化造成的复合材料热变形形成的热应力，确保预制体具有优异的抗热振能力，防止预制体因热应力而产生纵缝裂纹。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是现有技术中等分包覆法的预制体的示意图；
图2是现有技术中等分包覆法在模具上标记位置点的示意图；
图3是本发明中预制体的示意图；
图4是本发明中在模具上标记位置点的示意图；
图中：1、复合碳材层，2、拼缝位置，3、模具，4、位置点；
α：相邻两层复合碳材层的拼缝位置之间夹角的角度。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成，方向和参照(例如，上、下、左、右、等等)可以仅用于帮助对附图中的特征的描述。因此，并非在限制性意义上采用以下具体实施方式，并且仅仅由所附权利要求及其等同形式来限定所请求保护的主题的范围。
实施例1
如图3-4所示，一种抗热振预制体，包括由内至外依次设置的n层复合碳材层1，每层复合碳材层1均卷绕至首尾相对，其首端和尾端之间的位置为拼缝位置2，相邻两层复合碳材层1中位于外侧的复合碳材层1包覆住位于内侧的复合碳材层1，相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间夹角的角度为α；
其中，
当n为偶数时，R的取值范围为：0.5≤R≤1.5；
当n为奇数时，R的取值范围为：0.5≤R≤1.5。
本实施例中R的值均取1；即相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间的距离一致，并能够使所有拼缝位置2绕预制体的中心呈圆周均匀分布，提升预制体的力学性能，亦便于生产管理和质量控制。
相邻两层复合碳材层1之间通过针刺成型固定；由于相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间的距离增加了，故而相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间针刺产生的针孔的数量亦得到提升，进而可提高针刺强度，本实施例中针刺密度均匀一致。
所述复合碳材层1包括碳布层和碳毡层，所述碳布层平铺在碳毡层上；例如，复合碳材层1的碳布面密度100-640g/m2；碳毡面密度40-200g/m2；制造碳毡层与碳布层的碳纤维规格为3-24K，其中碳毡层为碳纤维短切后经过无纺成型；碳布层为机织成型。
本实施例中的预制体具体可为坩埚预制体、导流筒预制体、喉管预制体或刹车盘预制体。
本实施例的原理为：采用将相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2对称，并偏移一个整圆被数量n等分的基数，以此调整复合碳材层1的拼缝位置2，大幅度的规律性的提高相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间的间距，相邻两层复合碳材层1中位于内侧复合碳材层1的拼缝位置2处的剥离强度得到大幅度的增强，使之克服CVD阶段(包括石墨化阶段、单晶硅生长阶段)的温度变化造成的复合材料热变形形成的热应力，确保预制体具有优异的抗热振能力，防止预制体因热应力而产生纵缝裂纹。
实施例2
一种抗热振预制体的制备工艺，包括以下步骤：
将第一层复合碳材层1包覆在预制体的模具3上，随后将第二层复合碳材层1包覆在第一层复合碳材层1外，接着第三层复合碳材层1包覆在第二层复合碳材层1外，以此类推，直至完成第n层复合碳材层1在第n-1层复合碳材层1外的包覆；
其中，每层复合碳材层1均卷绕至首尾相对，其首端和尾端之间的位置为拼缝位置2，相邻两层复合碳材层1中位于外侧的复合碳材层1包覆住位于内侧的复合碳材层1，相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间夹角的角度为α；
其中，
当n为偶数时，R的取值范围为：0.5≤R≤1.5；
当n为奇数时，R的取值范围为：0.5≤R≤1.5。
当n为偶数时，当n为奇数时，
每层复合碳材层1包覆后，均进行针刺成型，随后再进行下一层的复合碳材层1包覆；其中，每层复合碳材层1均包括碳布层和碳毡层，碳布层平铺在碳毡层上。
如图4所述，本实施例中在第一层复合碳材层1包覆在预制体的模具3上之前，预先在预制体的模具3上标记出每一层复合碳材层1的拼缝位置2所对应的位置点4，每一复合碳材层1按照其拼缝位置2所对应的位置点4进行包覆；每层复合碳材层1的拼缝位置2与其所对应的位置点4在同一射线上，所有位置点4在同一圆周线上，射线的端点为该圆周线的中心点，圆周线的中心点具体与预制体的中心点重合；
在图4中，①为第一层复合碳材的拼缝位置2所对应的位置点4，②为第二层复合碳材的拼缝位置2所对应的位置点4；③为第三层复合碳材的拼缝位置2所对应的位置点4；④为第四层复合碳材的拼缝位置2所对应的位置点4；⑤为第五层复合碳材的拼缝位置2所对应的位置点4，以此类推。
本实施例中首先在预制体的模具3上铺设内衬层，而后将在第一层复合碳材层1包覆在内衬层外，其中，内衬层的材质为EVA塑料或羊毛毡；可便于预制体脱模。
所述预制体为坩埚预制体、导流筒预制体、喉管预制体或刹车盘预制体。
以22层复合碳材层1的预制体为例，依据可计算出α为163.6°，即顺时针铺层，在选定好第一层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4后；将第一层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4绕预制体的中心点沿顺时针方向旋转163.6°后便可得到第二层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4；将第二层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4绕预制体的中心点沿顺时针方向旋转163.6°后便可得到第三层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4，以此类推；
以22层复合碳材层1的预制体为例，依据可计算出α为196.4°，即逆时针铺层，在选定好第一层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4后；将第一层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4绕预制体的中心点沿顺时针方向旋转163.6°后便可得到第二层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4；将第二层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4绕预制体的中心点沿顺时针方向旋转163.6°后便可得到第三层复合碳材层1的拼缝位置2的所对应的位置点4，以此类推。
本实施例中以制作28寸的坩埚预制体为例进行说明。
在图1中，对于22层复合碳材层1包覆的28寸坩埚预制体而言，采用现有等分包覆法的坩埚预制体其相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间间距的计算过程如下：
28寸坩埚预制体的内径为Ф705mm(包覆内衬层的模具3外径为Ф705)。
28寸坩埚预制体内径横截面的周长为：705mm*3.14＝2213mm；
22等分的等分长度为：2213mm/22＝100mm；
28寸坩埚预制体的锅帮尺寸为330mm；
这样等分包覆法的相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间部位的面积为：330*100＝33000mm2＝330cm2。
对于针刺密度为30-33针/平方厘米而言，330cm的针孔数量为：
330*30-33＝9900-10890针孔。
在图3中，对于22层复合碳材层1包覆的28寸坩埚而言，本实施例相邻两层拼缝位置2之间的间距为等分包覆法的坩埚预制体其相邻两层拼缝位置2之间间距的10倍，即100*10＝1000mm。
这样本实施例中坩埚预制体相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间部位的面积为：330*1000＝330000mm2＝3300cm2。
对于针刺密度为30-33针/平方厘米而言，3300cm的针孔数量为：3300*30-33＝99000-108900针孔。
从上述对比可以看出，本实施例中坩埚预制体相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间的间距是采用等分包覆法的坩埚预制体中相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间间距的10倍；针孔数量也是10倍。从这个意义上说，如果使用的复合材料相同，针刺工艺相同，本实施例中坩埚预制体相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间部位处的剥离强度是采用等分包覆法的坩埚预制体中相邻两层复合碳材层1的拼缝位置2之间部位处的剥离强度的10倍。
上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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