CN103737940A - 一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法及系统：针对层叠复合材料预制体的增强碳纤维穿刺工艺过程，将射流技术和碳纤维穿刺工艺相结合，利用射流将增强碳纤维束射向层叠复合材料微结构中各个方向，使得层叠炭纤维预制体成为一个整体，提高Z向层间连接纤维强度，也可以降低传统层叠炭纤维增强复合材料的针刺成型工艺对碳纤维造成的损伤，从而进一步提高层叠复合材料预制体的品质。

Description

一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法及系统
技术领域
本发明属于层叠复合材料预制体加工制造领域，具体涉及一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法及系统。
背景技术
在层叠复合材料预制体加工制造工艺中，作为层叠复合材料预制体的制造工艺的核心就是增加炭布之间的Z向增强碳纤维层间连接，从而提高炭布的层间连接强度，但是目前我国制造的层叠复合材料预制体针刺工艺方法与国际先进水平仍有很大差距，主要体现为以下几点不足：1）由于针刺过程中利用刺针倒刺将增强碳纤维带入到层叠预制体中，同时刺针也对层叠预制体的炭布高模碳纤维形成机械冲击和反复撕扯，从而造成损伤；2）针刺过程中，容易产生断针现象；3）针刺工艺生产效率较低，不适宜高速针刺场合。因此，亟需对层叠复合材料预制体的增强碳纤维穿刺工艺过程中的原始穿刺方法进行创新和研究。
发明内容
本发明的目的在于提供一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法及系统。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法，该射流穿刺工艺方法包括以下步骤：利用射流将碳纤维喷射到层叠复合材料预制体表面，然后由射流将碳纤维带入到由层叠复合材料预制体中每一层内的间隙与层间间隙形成的层叠复合材料预制体微结构中，带入到层叠复合材料预制体微结构中的碳纤维形成层叠复合材料预制体层间的连接，使得层叠复合材料预制体的层与层之间成为一个整体。
所述层叠复合材料预制体的每一层为炭纤维或碳纤维构成。
所述射流穿刺工艺方法具体包括以下步骤：将射流技术和碳纤维穿刺工艺相结合，利用高速射流将碳纤维喷射到层叠炭纤维预制体表面，然后由射流将碳纤维带入到由层叠炭纤维预制体每一层炭布中的纤维间隙（孔隙）与炭布之间的层间间隙形成的连通管式多孔介质结构中，形成炭布之间的连接，使得层叠炭纤维预制体炭布的层与层之间成为一个整体，从而提高层叠炭纤维预制体的炭布层与层之间Z向层间连接纤维强度，实现层叠复合材料预制体的增强碳纤维射流穿刺。
所述射流向层叠复合材料预制体的单侧表面喷射，或者所述射流向层叠复合材料预制体的两侧表面喷射。两侧表面喷射可以使层叠复合材料预制体的层与层之间Z向层间连接纤维从两个方向进行交叉，从而获得更大的连接强度。
一种面向层叠复合材料的射流穿刺系统，该系统包括射流喷嘴，射流喷嘴与混合介质容器相连，在混合介质容器中完成混合介质的准备，混合介质是液体介质与碳纤维的混合物，在完成射流的准备后使包含碳纤维的混合介质从射流喷嘴射向层叠复合材料预制体表面。
所述系统还包括计算机以及水泵，混合介质容器与水泵相连，计算机分别与射流喷嘴以及水泵相连，计算机控制射流喷嘴移动和射流喷嘴开闭，同时控制水泵。
所述混合介质的准备就是将液体介质和碳纤维进行搅拌混合。
所述射流的准备就是将压力作用到混合介质上，使混合介质能够由射流喷嘴喷出，形成射流。
本发明的有益效果体现在：
本发明对层叠复合材料预制体的增强碳纤维穿刺工艺过程中的原始穿刺方法进行创新，对层叠复合材料预制体既可以利用射流将碳纤维束射向层叠复合材料微结构中各个方向，使得层叠复合材料预制体成为一个整体，提高层叠复合材料预制体的Z向层间连接强度，也可以降低传统层叠复合材料预制体中增强炭纤维的针刺成型工艺对预制体的纤维造成的损伤，从而进一步提高层叠复合材料预制体的品质。
本发明与现有技术相比，其优点在于：
1）本发明为层叠复合材料预制体的增强碳纤维穿刺工艺过程提供了完整的参考解决方案以及清晰的控制流程。
2）本发明提出了一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法，并首次将其应用于层叠复合材料预制体的增强碳纤维穿刺工艺过程中。其射流穿刺工艺过程包括：混合介质的准备；射流的准备；射流穿刺的实现，流程清晰，简洁，便于工业化生产。
3）本发明所述射流穿刺工艺方法，由于射流喷射向层叠复合材料预制体表面后会沿着间隙进入，无需传统针刺过程的对准，提高了穿刺效率，便于层叠复合材料预制体的射流穿刺的生产，利用射流将碳纤维束射向层叠复合材料微结构中各个方向，使得层叠复合材料预制体成为一个整体，提高层叠复合材料预制体的Z向层间连接纤维强度。
4）本发明所述射流穿刺工艺方法，相比传统层叠复合材料的针刺成型工艺，没有对层叠复合材料预制体的纤维产生机械冲击和反复撕扯，因此，本发明所述射流穿刺工艺方法可以降低对层叠复合材料预制体造成的损伤。
附图说明
图1是层叠复合材料预制体穿刺前结构示意图；
图2是层叠复合材料预制体射流穿刺原理图；
图3是层叠复合材料预制体射流穿刺系统原理图；
图4是喷嘴射流原理图；
图5是层叠复合材料预制体射流穿刺后结构示意图；
图中：1为计算机，2为射流喷嘴，3为层叠复合材料预制体，4为混合介质容器，5为水容器，6为水泵，7为第一层炭布，8为第二层炭布，9为第三层炭布，10为孔隙，11为炭纤维束，12为Z向连接碳纤维，A为主射流，B为分射流，Q表示混合介质，V表示射流穿刺前的初始速度，v1表示射流穿过层叠复合材料预制体的速度。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
1）一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法
针对层叠炭纤维预制体的微观结构，如图1所示，可以看出，层叠炭纤维预制体的微观结构是由每一层炭布中的XY向纤维间隙以及一层层炭布之间的层间间隙构成的，这种微观结构的特点是典型的连通管式多孔介质结构。利用射流将含有碳纤维的混合介质高速喷射到层叠炭纤维预制体表面，在连通管式多孔介质结构中形成各种射流流场分布，如图2所示，可以看出，混合介质中的碳纤维由射流带入到层叠炭纤维预制体的间隙中，形成Z向连接的增强碳纤维，从而使得层叠炭纤维预制体成为一个整体，提高层叠炭纤维预制体的Z向层间连接纤维强度。
2）面向层叠复合材料的射流穿刺工艺实现
①为了实现面向层叠复合材料的射流穿刺工艺过程，采用面向层叠复合材料的射流穿刺工艺系统，如图3所示，包括计算机1，射流喷嘴2，混合介质容器4，水容器5以及高压水泵6。
②在面向层叠复合材料的射流穿刺工艺系统中，在混合介质容器中放入液体水和碳纤维，经过搅拌形成混合介质。
③在面向层叠复合材料的射流穿刺工艺系统中，由计算机控制高压水泵及射流喷嘴工作，使得高压压力作用于混合介质，混合介质经过喷嘴喷出，喷射到层叠炭纤维预制体表面，如图4所示。
④在面向层叠复合材料的射流穿刺工艺系统中，高压水射流冲击炭布表面时，射流对物体的最大作用力位置是在离喷嘴一定距离处，层叠炭纤维预制体的微观结构在连续高压水射流作用下形成射流流场分布，这些射流对炭布的作用力随喷嘴到炭布距离、射流压力与方向，以及喷嘴结构参数等工艺参数的不同而不同，调整这些工艺参数就可以改变射流流场分布。
⑤在面向层叠复合材料的射流穿刺工艺系统中，改变混合介质的密度就可以改变层叠炭纤维预制体的微观结构中Z向层间连接增强碳纤维的数量，从而提高Z向层叠炭布之间层间连接的连接强度。
3）应用效果说明
在面向层叠复合材料的射流穿刺工艺系统中，通过层叠炭纤维预制体射流穿刺后的微观结构，如图5所示，可以看出，在层叠炭纤维预制体结构中增加了层叠炭布的层与层之间的连接碳纤维，这些连接碳纤维使得层叠炭布的层与层之间产生连接，从而提高Z向层叠炭布之间层间连接的强度。
本发明针对在层叠炭纤维预制体中每一层炭布中的XY向纤维间隙以及一层层炭布的层间间隙形成的典型的连通管式多孔介质结构，利用射流将混合介质高速喷射到层叠炭纤维预制体表面，在连通管式多孔介质结构中形成各种射流流场分布，这样，在射流流场中就由射流将混合介质中的碳纤维带入到层叠复合材料的缝隙中，形成Z向连接的增强碳纤维，使得层叠炭纤维预制体成为一个整体，从而提高层叠复合材料预制体的Z向层间连接纤维强度。
本发明提出的层叠复合材料预制体射流穿刺工艺方法可以实现层叠炭纤维预制体在穿刺制造过程中增强Z向层间连接纤维的目的，同时可以降低传统穿刺工艺对层叠炭纤维预制体中炭布高模碳纤维的机械冲击和反复撕扯造成的损伤，具有实用性和有效性。
总之，本发明通过分析层叠复合材料预制体的射流穿刺工艺方法，将射流技术和碳纤维穿刺工艺相结合，构建面向层叠复合材料的射流穿刺系统，在此基础上，就可以利用射流将混合介质高速喷射层叠复合材料表面，并将混合介质中的碳纤维带入到层叠复合材料的缝隙中，实现碳纤维射流穿刺。

Claims (8)

1.一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法，其特征在于：该射流穿刺工艺方法包括以下步骤：利用射流将碳纤维喷射到层叠复合材料预制体表面，然后由射流将碳纤维带入到由层叠复合材料预制体中每一层内的间隙与层间间隙形成的层叠复合材料预制体微结构中，带入到层叠复合材料预制体微结构中的碳纤维形成层叠复合材料预制体层间的连接，使得层叠复合材料预制体的层与层之间成为一个整体。
2.根据权利要求1所述一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法，其特征在于：所述层叠复合材料预制体的每一层为炭纤维或碳纤维构成。
3.根据权利要求1所述一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法，其特征在于：所述射流穿刺工艺方法具体包括以下步骤：利用射流将碳纤维喷射到层叠炭纤维预制体表面，然后由射流将碳纤维带入到由层叠炭纤维预制体每一层炭布中的纤维间隙与炭布之间的层间间隙形成的连通管式多孔介质结构中，形成炭布之间的连接，使得层叠炭纤维预制体炭布的层与层之间成为一个整体。
4.根据权利要求1所述一种面向层叠复合材料的射流穿刺工艺方法，其特征在于：所述射流向层叠复合材料预制体的单侧表面喷射，或者所述射流向层叠复合材料预制体的两侧表面喷射。
5.一种面向层叠复合材料的射流穿刺系统，其特征在于：该系统包括射流喷嘴（2），射流喷嘴（2）与混合介质容器（4）相连，在混合介质容器中完成混合介质的准备，混合介质是液体介质与碳纤维的混合物，在完成射流的准备后使包含碳纤维的混合介质从射流喷嘴射向层叠复合材料预制体表面。
6.根据权利要求5所述一种面向层叠复合材料的射流穿刺系统，其特征在于：所述系统还包括计算机（1）以及水泵（6），混合介质容器（4）与水泵（6）相连，计算机（1）分别与射流喷嘴（2）以及水泵（6）相连。
7.根据权利要求5所述一种面向层叠复合材料的射流穿刺系统，其特征在于：所述混合介质的准备就是将液体介质和碳纤维进行搅拌混合。
8.根据权利要求5所述一种面向层叠复合材料的射流穿刺系统，其特征在于：所述射流的准备就是将压力作用到混合介质上。
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