CN103061045B - 一种纵向增强的复合材料预制件制备方法和复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵向增强的复合材料预制件制备方法和复合材料。其中，该复合材料预制件包括多根导向套和缠绕在多根导向套间的纤维，多根导向套按照预定的路径排列形成预定形状，纤维铺放路径形成的空隙间还设置有填充套。应用本发明的技术方案，由于纤维的空隙间还设置有平行于导向套的填充套，这样就极大的增加了复合材料预制件的纵向力学性能。而且填充套平行于导向套设置，可以采用原有的机械设备进行该复合材料预制件的加工，在不增加生产成本的基础上，极大的提高了复合材料预制件的力学性能。

Description

一种纵向增强的复合材料预制件制备方法和复合材料

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体而言，涉及一种纵向增强的复合材料预制件制备方法和复合材料。

背景技术

三维织造预制件是以整体织物作为增强体的复合材料，是20世纪80年代发展起来的一种新型复合材料织造成形技术。采用此技术可以直接编织出各种形状、不同尺寸的整体异型预制件。用这些预制件制成的三维织造复合材料制件不需再加工，这就避免了由于加工所造成的纤维损伤。而且采用此方法制备的三维织造复合材料具有高强度、基体损伤不易扩展、高抗冲击性能和综合力学性能好，以及耐烧蚀、抗高温、热绝缘性能好等独特的优点，目前已经引起了美国、德国等世界各国的关注。

三维织造复合材料在航空航天等尖端领域也得到了越来越广泛的应用，这对三维织造复合材料的力学性能提出更高的要求。

目前，各国的研究趋势主要是不断改进和开拓三维织造的工艺过程，在尽量保证预制件整体性能的基础上改进织造工艺，简化织造过程，争取实现自动化高效织造。其中，基于数字化导向模板的三维织造成形方法效率极高，但因为导向套之间预留编织空隙过大，纤维体积含量较低，纵向力学性能较差，抗拉和抗压强度过低，限制了预制件的应用范围。

中国专利号ZL200820078572.1的专利，公开了一种三维全五向编织预制件及其编织设备。通过一种改进的四步法三维编织方法，在三维五向编织复合材料的编织纱束交叉空隙处完全加满纵向纱束，使纵向纱束的数量比现有四步法预制件中的纵向纱束的数量提高近一倍，纵向性能显著提高。但是，改进方法受限于四步法编织的约束，编织尺寸受到一定的限制，且编织设备自动化程度很低，生产周期长。

发明内容

本发明旨在提供一种纵向增强的复合材料预制件制备方法和复合材料，以解决现有技术中复合材料预制件的纵向力学性能较差的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种纵向增强的复合材料预制件。该复合材料预制件包括多根导向套和缠绕在多根导向套间的纤维，多根导向套按照预定的路径排列形成预定形状，纤维铺放路径形成的空隙间还设置有填充套。

进一步地，填充套的横截面与纤维铺放路径形成的空隙的形状及大小相适配。

进一步地，填充套的横截面形状不同于导向套的横截面形状。

进一步地，纤维呈扁平带状，纤维沿多根导向套之间的间隙穿行铺设并形成多个叠置的铺设层，纤维的带面在铺设层内延伸，导向套的延伸方向与铺设层垂直。

进一步地，每相邻的3根导向套形成三角形，纤维在多根导向套间沿三角形的边所在的直线铺放，且纤维缠绕在位于预定形状外周的导向套上。

进一步地，每相邻的4根导向套形成四边形，纤维在多根导向套间沿四边形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且纤维缠绕在位于预定形状外周的导向套上。

进一步地，每相邻的6根导向套形成六边形，纤维在多根导向套间沿六边形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且纤维缠绕在位于预定形状外周的导向套上。

根据本发明的另一个方面，提供一种上述复合材料预制件的制备方法。该制备方法包括以下步骤：将多根导向套平行固定在导向模版上形成预定形状；根据导向套的横截面积、导向套的排列密度、纤维预定的缠绕路径确定纤维的空隙的位置；在对应纤维将形成空隙的位置在导向模版上平行于导向套设置填充套；将纤维缠绕在多根导向套和填充套间；对缠绕在多根导向套间的纤维进行压实处理，得到复合材料预制件。

进一步地，填充套的横截面与纤维的空隙大小及形状相适配。

进一步地，纤维呈扁平带状，将纤维沿多根导向套之间的间隙穿行铺设并形成多个叠置的铺设层，纤维的带面在铺设层内延伸，导向套的延伸方向与铺设层垂直。

根据本发明的另一个方面，提供一种复合材料。该复合材料包括复合材料预制件和填充在复合材料预制件中的基体，复合材料预制件为上述复合材料预制件。

应用本发明的技术方案，由于纤维的空隙间还设置有平行于导向套的填充套，这样就极大的增加了复合材料预制件的纵向力学性能。而且填充套平行于导向套设置，可以采用原有的机械设备进行该复合材料预制件的加工，在不增加生产成本的基础上，极大的提高了复合材料预制件的力学性能。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本发明一实施例的设置有导向套的六边形导向模版的俯视图结构示意图；

图2示出了根据本发明一实施例的设置有导向套和填充套的六边形导向模版结构示意图；

图3示出了根据本发明一实施例的六边形导向模版上设置有导向套和填充套的纤维铺放路径示意图；

图4示出了根据本发明一实施例的纤维三角形铺放路径示意图；

图5示出了根据本发明再一实施例的纤维方形铺放路径示意图；

图6示出了根据本发明又一实施例的纤维方形铺放路径示意图；

图7示出了根据本发明又一实施例的纤维方形铺放路径示意图；以及

图8示出了根据本发明又一实施例的纤维六边形铺放路径示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1所示，在复合材料预制件制作过程中，通常是需要先将导向套10固定在导向模版50。为了增加了复合材料预制件的纵向力学性能，根据本发明一种典型的实施方式，提供一种纵向增强的复合材料预制件。该复合材料预制件包括多根导向套10和缠绕在多根导向套10间的纤维20，多根导向套10按照预定路径排列形成预定形状，纤维20铺放路径形成的空隙间还设置有填充套30，如图2和3所示。由于纤维的空隙间还设置有平行于导向套的填充套30，这样就极大的增加了复合材料预制件的纵向力学性能。而且填充套30方向平行于导向套设置方向，可以采用原有的机械设备进行该复合材料预制件的加工，在不增加生产成本的基础上，极大的提高了复合材料预制件的力学性能。优选地，填充套30的横截面形状不同于导向套10的横截面形状。

优选地，填充套30的横截面与纤维20铺放路径形成的空隙的形状及大小相适配，如图2所示。例如，纤维间的空隙为三角形的，填充套30的横截面与之相适配也是三角形的，这样就可以使填充套30与纤维之间尽可能的接触，增大填充比例。

现有技术中用于三维织造预制件的纤维通常是扁平带状的，由于三维织造预制件的织造过程中的拉力的作用，纤维较宽的面通常是贴附在导向套上，使纤维层与层之间的间隙较大，即使后续还有压实的工序，预制件的纤维体积含量仍得不到很大的提高，因此，三维织造预制件的力学性能的提高也受到阻碍。根据本发明一种典型的实施方式，纤维20沿多根导向套10之间的间隙穿行铺设并形成多个叠置的铺设层，纤维的带面在铺设层内延伸，导向套的延伸方向与铺设层垂直，即纤维是铺放设置在导向套20间。由于纤维是铺放缠绕在多根导向套间，即扁平带状的纤维较宽的面是垂直或近似垂直于导向套的纵向，纤维层与层之间是通过较宽的带面贴合，因此，空隙较小，通过这种铺放的形式缠绕纤维就极大的提高了复合材料预制件的纤维体积含量，也就极大的提高了复合材料预制件的力学性能。

根据本发明一种典型的实施方式，每相邻的3根导向套10形成三角形，优选地，形成正三角形，纤维20在多根导向套10间沿三角形的边所在的直线铺放，且纤维20缠绕在位于预定形状外周的导向套10上，如图4所示。根据本发明一种典型的实施方式，每相邻的4根导向套10形成方形，优选地，形成正方形，纤维20在多根导向套10间沿方形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且纤维20缠绕在位于预定形状外周的导向套10上，如图5到7所示，其中，图5中纤维20的铺放角度为0°，180°，45°，135°；图6中纤维20的铺放角度为90°，180°；图7中纤维20的铺放角度为45°，135°。根据本发明一种典型的实施方式，每相邻的6根导向套10形成六边形，优选地，形成正六边形，纤维20在多根导向套10间沿六边形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且纤维20缠绕在位于预定形状外周的导向套10上，如图8所示。

导向套和填充套的结构是可以设计的，其结构形式可以是多样的，如外部既可以是光滑的，优选地，导向套和填充套外表面上设置有用于定位纤维的凹槽，可有效地防止缠绕在导向套上的纤维滑动。导向套和填充套内部可以是实心的，也可以是中空的，优选地，导向套和填充套为中空结构，可以在织造完成后，用纤维穿梭相邻导向套，进行缝制锁紧；当然，导向套和填充套高度、直径、截面形状等参数也可以根据预制件的三维模型设计。

本发明的导向套和填充套的材料可以根据预制件的功能作用选择不同材质，可以是如刚度和强度较高的传统金属材料，也可以是用于热防护的碳/碳、碳/酚醛、碳/陶瓷等复合材料。

可用于本发明的纤维的材料的种类很多，包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等可以实现织造的复合材料增强纤维，纤维粗度也可以根据织造要求进行选择。

根据本发明一种典型的实施方式，提供一种复合材料预制件的制备方法。该制备方法包括以下步骤：将多根导向套10平行固定在导向模版上形成预定形状；根据导向套10的横截面积、导向套的排列密度、纤维束的选择、纤维预定的缠绕路径确定纤维的空隙的位置；在对应纤维将形成空隙的位置在导向模版上平行于导向套10设置填充套30；将纤维20缠绕在多根导向套10和填充套30间；对缠绕在多根导向套10间的纤维20进行压实处理，得到复合材料预制件。由于纤维的空隙间还设置有平行于导向套的填充套，这样就极大的增加了复合材料预制件的纵向力学性能。而且填充套平行于导向套设置，可以采用原有的机械设备进行该复合材料预制件的加工，在不增加生产成本的基础上，极大的提高了复合材料预制件的力学性能。

优选地，填充套30的横截面与纤维20的空隙的形状及大小相适配，如图2所示，纤维间的空隙为三角形的，填充套30的横截面与之相适配也是三角形的，这样就可以使填充套30与纤维之间尽可能的接触，增大填充比例。

现有技术中用于三维织造预制件的纤维通常是扁平带状的，由于三维织造预制件的织造过程中拉力的作用，纤维较宽的面通常是贴附在导向套上，使纤维层与层之间的间隙较大，即使后续还有压实的工序，预制件的纤维体积含量仍得不到很大的提高，因此，三维织造预制件的力学性能的提高也受到阻碍。根据本发明一种典型的实施方式，纤维20沿多根导向套10之间的间隙穿行铺设并形成多个叠置的铺设层，纤维的带面在铺设层内延伸，导向套的延伸方向与铺设层垂直，即纤维是铺放设置在导向套20间。由于纤维是铺放缠绕在多根导向套间，即扁平带状的纤维较宽的面是垂直或近似垂直于导向套的纵向，纤维层与层之间是通过较宽的带面贴合，因此，空隙较小，通过这种铺放的形式缠绕纤维就极大的提高了复合材料预制件的纤维体积含量，也就极大的提高了复合材料预制件的力学性能。

根据本发明一种典型的实施方式，每相邻的3根导向套10形成三角形，纤维20在多根导向套10间沿三角形的边所在的直线铺放，且纤维20缠绕在位于预定形状外周的导向套10上；或每相邻的4根导向套10形成方形，纤维20在多根导向套10间沿方形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且纤维20缠绕在位于预定形状外周的导向套10上；或每相邻的6根导向套10形成六边形，纤维20在多根导向套10间沿六边形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且纤维20缠绕在位于预定形状外周的导向套10上。通过上述纤维路径的设计，可以极大的提高复合材料预制体的纤维体积含量。根据本发明一种典型的实施方式，该复合材料预制件在实际制作过程中具体还可以包括如下步骤：对不同铺放路径的复合材料预制件结构沿纵向进行分层建模，得到预制件整体的三维CAD模型；根据铺放纤维和导向套的尺寸，确定缝隙大小，选择合适直径的填充套；根据导向套尺寸和填充套尺寸设计导向模版；将导向套以几何阵列排开，布置在不同铺放路径的导向模板上；将填充套穿插在导向套结构中间，完成导向模版的密布；以导向套为支撑，将纤维沿各个不同角度平行穿过导向套，完成每层的铺放；层层铺放，完成预制件整体结构件初步织造后，将预制件连同导向模版一起取下，进行压实和切边处理，完成复合材料预制件的织造。根据本方法可以快速的实现各种形状的预制件制作，编织工艺简单，且预制件纤维体积含量高，而且由于填充套的加入，大大增加了纵向力学性能。

根据本发明一种典型的实施方式，提供一种复合材料。该复合材料包括复合材料预制件和填充在复合材料预制件中的基体，复合材料预制件为本发明的复合材料预制件。

下面将结合实施例进一步对本发明的技术方案进行描述。

实施例

列举尺寸为100mm×100mm×50mm的六面体预制件的织造方法。

1）选择直径为10mm、高度为50mm、材料为碳棒的导向套10，选取6k规格的碳纤维，测量得到6k纤维20的截面积为2mm；根据预制件结构形状及性能要求，选择最优的铺放路径，本实施例里选择的是60°，120°，180°的铺放路径；然后沿Z向进行分层建模，得到预制件整体的三维CAD模型；

2）根据导向套10的尺寸，在数字化导向模板上等间距布置10×10个导向套10，导向套10中心距4.5mm，选择边长为3mm的填充套30，填充套30需要与纤维20相切；将导向套10和填充套30按照CAD模型信息，布置在几何阵列布局的导向套10模板上；以导向套10和填充套30为支撑，纤维20沿60度方向平行的铺放在导向套10之间的缝隙，每一次铺放来回往返一次，填充满缝隙4mm；以导向套10和填充套30为支撑，纤维20沿120度方向平行的铺放在导向套10之间的缝隙，每一次铺放来回往返一次，填充满缝隙4mm；以导向套10和填充套30为支撑，纤维20沿180度方向平行的铺放在导向套10之间的缝隙，每一次铺放来回往返一次，填充满缝隙4mm；铺放顺序可以根据每一层内和层间的二维轮廓信息任意排列组合，完成一层织造后，继续采用上述步骤进行下一层的织造；

3）完成预制件整体结构件初步织造后，将预制件连同导向套10模版一起取下，进行压实处理，完成复合材料预制件的最终织造。

综上，本发明的复合材料预制件与现有复合材料预制件相比具有以下优点：

1）与现有技术中的缝合织物预制件相比，本发明的复合材料预制件分层织造方法工艺简单、易于实现自动化，大大提高的织造效率；

2）与传统三维织造方法成形的预制件相比，本发明的复合材料预制件尺寸不受限制，可实现各种形状的预制件快速织造；

3）由于填充套的加入，使复合材料预制件纵向力学性能增强，可以作为承担拉压载荷的主承力结构件广泛应用；

4）通过铺放纤维的反复填充，可以使导向套间隙完全布满，使预制件纤维体积含量大大提升，力学性能得到提高；

5）如果采用有凹槽的导向套或者中空的导向套，层间方向的力学性能也将得到增强，预制件整体性能优异。

本方法主要是既可以满足各种形状的预制件的快速织造，又提高了复合材料预制件的纤维体积含量和纵向力学性能，从而提高了预制件整体的力学性能，缩短了织造周期，解决的了复合材料预制件织造的关键技术难点。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种纵向增强的复合材料预制件，包括多根导向套(10)和缠绕在多根所述导向套(10)间的纤维(20)，其特征在于，多根所述导向套(10)按照预定的路径排列形成预定形状，所述纤维(20)铺放路径形成的空隙间还设置有填充套(30)。

2.根据权利要求1所述的复合材料预制件，其特征在于，所述填充套(30)的横截面与所述纤维(20)铺放路径形成的空隙的形状及大小相适配。

3.根据权利要求1所述的复合材料预制件，其特征在于，所述填充套(30)的横截面形状不同于所述导向套(10)的横截面形状。

4.根据权利要求1所述的复合材料预制件，其特征在于，所述纤维(20)呈扁平带状，所述纤维(20)沿多根所述导向套(10)之间的间隙穿行铺设并形成多个叠置的铺设层，所述纤维的带面在所述铺设层内延伸，所述导向套的延伸方向与所述铺设层垂直。

5.根据权利要求1所述的复合材料预制件，其特征在于，每相邻的3根所述导向套(10)形成三角形，所述纤维(20)在多根所述导向套(10)间沿所述三角形的边所在的直线铺放，且所述纤维(20)缠绕在位于所述预定形状外周的所述导向套(10)上。

6.根据权利要求1所述的复合材料预制件，其特征在于，每相邻的4根所述导向套(10)形成四边形，所述纤维(20)在多根所述导向套(10)间沿所述四边形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且所述纤维(20)缠绕在位于所述预定形状外周的所述导向套(10)上。

7.根据权利要求1所述的复合材料预制件，其特征在于，每相邻的6根所述导向套(10)形成六边形，所述纤维(20)在多根所述导向套(10)间沿所述六边形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且所述纤维(20)缠绕在位于所述预定形状外周的所述导向套(10)上。

8.一种如权利要求1至7中任一项所述的复合材料预制件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

将多根导向套(10)平行固定在导向模版上形成预定形状；

根据所述导向套(10)的横截面积、所述导向套的排列密度、纤维预定的缠绕路径确定所述纤维的空隙的位置；

在对应所述纤维将形成空隙的位置在所述导向模版上平行于所述导向套(10)设置填充套(30)；

将纤维(20)缠绕在多根所述导向套(10)和所述填充套(30)间；

对缠绕在多根所述导向套(10)间的所述纤维(20)进行压实处理，得到所述复合材料预制件。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述填充套(30)的横截面与所述纤维(20)的空隙大小及形状相适配。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述纤维(20)呈扁平带状，将所述纤维(20)沿多根所述导向套(10)之间的间隙穿行铺设并形成多个叠置的铺设层，所述纤维的带面在所述铺设层内延伸，所述导向套的延伸方向与所述铺设层垂直。

11.一种复合材料，包括复合材料预制件和填充在所述复合材料预制件中的基体，其特征在于，所述复合材料预制件为如权利要求1至7中任一项所述的复合材料预制件。