科创中国

行业领域

新材料技术,无机非金属材料

需求背景

陶瓷复合材料早已成为“高精尖专属”，其是反映国家空天飞行器制造能力，关系国家安全的战略材料。此外，陶瓷基复合材料耐磨、硬度大及高比强度的性能优势，使其在刹车制动系统领域中展现出巨大地应用潜力，为推动陶瓷基复合材料军民融合应用技术的研究与市场布局发挥极大作用。

需解决的主要技术难题

基于上述问题和研究现状，为进一步推进针刺技术的发展和应用，针对

针刺设备和成型技术开展研究。

（1）异型针刺设备的开发

目前所用异型针刺预制体主要包括回转体针刺预制体和自由曲面针刺预

制体，回转体针刺成型一般采用与预制体形状相适应的大型针板成型，效率

高，但专用性强，织物的适用性有限，因此生产成本高。而自由曲面预制体

多采用机器人针刺头成型，其路径规划技术尚不成熟。新型针刺设备需要较

长的设计、加工装配周期，因此针刺设备的模块化设计势在必行，通过单独

设计针刺单元、运动单元等实现产品的快速高效设计，提高产品的针刺均匀

性和成型精度。

（2）异型针刺预制体的成型

现有异型针刺预制体能实现仿形针刺成型，但成型效率和成型精度等方

面还与所欠缺，除上述相关针刺设备的开发设计外，其成型技术和工艺也至

关重要，采用正交实验设计方法设计实验方案，包括原料配比、针刺工艺参

数、针刺方式等成型关键参数，通过分析预制体性能及后期复合材料性能明

确满足材料使用性能的成型工艺。

（3）基于摩擦领域的预制体新结构新技术

为稳定预制体的摩擦性能，需要对预制体结构进行设计，拟将预制体沿

厚度方向从芯层到表层分为结构承载层、应力释放层、摩擦功能层，结合实

际生产经验确定各层的纤维长径比、纤维取向度、针刺密度等因素范围，在

该范围内，设计正交实验。根据正交实验方案，进行多尺度有限元建模分析，

从材料的单胞模型到细观结构再到宏观等效整体模型，采用 ABAQUS 有限元软

件对模型的摩擦性能、热力学性能、制动性能等进行模拟分析。结合有限元

分析结果优选 3-5 种成型方案，参考方案采用双面针刺工艺制备刹车盘预制

体，后经过复合、精加工等工序将刹车盘加工成要求尺寸，进行力学等性能

测试和实际制动工况论证。

（4）环形针刺预制体净尺寸成型

基于摩擦领域的针刺刹车盘是圆环形状，内环主要用于装配刹车盘，现

有成型工艺多将矩形单元层铺层针刺至设计厚度，后期通过机器加工去除多

余部分，形成环形预制体，这种方式对于碳纤维原料和基体材料而言都造成

了很大浪费。因此，为降低成本，考虑预制体的净尺寸成型，将环形预制体

分为若干部分，通过原料的拼接仿形铺层，实现预制体的净尺寸成型。但预

制体面内的拼接缝、铺层原料的拼接方式、层间拼接缝的错位及针刺工艺等

都需进一步研究，以实现预制体性能和净尺寸成型两者之间的平衡。

期望实现的主要技术目标

（1）设备：开发适用于环形、筒形、锥体、自由曲面等多种形状预制

体的针刺设备；

（2）预制体性能指标：满足设计要求；

（3）针刺预制体体积密度：0.1-0.8g/cm3；

（4）厚度：1-100mm，且各部位厚度 cv≤值 5%；

（5）外观状态：表面无明显缺陷或疏松，针迹整齐均匀；

（6）内部状态：体内无断针及高密度金属夹杂；

（7）其他：运输、使用过程中无分层、变形等问题发生。

需求解析

解析单位：“科创中国”人工智能专业科技服务团（西咸新区人工智能行业协会） 解析时间：2023-11-29

靖 锋

西咸新区人工智能行业协会

秘书长

综合评价

此需求足够清晰可以进行需求跟进

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