CN106903936A - 一种高性能纤维三维预成型体成型方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高性能纤维三维预成型体成型方法。属新材料领域。本发明所述的高性能纤维三维预成型体成型方法是将短切玻纤薄毡或玻纤连续毡、玻纤机织单向布或高强高抗冲玻纤布或玻纤无捻粗纱(经、纬纱)、导流夹芯材料、轴向织物(双轴向(±45°)、三轴向(±45°、0°或±45°、90°)、四轴向(±45°、0°、90°))、玻纤机织单向布或高强高抗冲玻纤布或玻纤无捻粗纱(经、纬纱)通过缝编线一次性缝编而成三维预成型体。其中为弥补玻璃纤维、碳纤维横向剪力不足的缺陷，可以在材料层层叠加中部分或全部采用其他高性能纤维，如芳纶纤维、聚酰亚胺纤维等。本发明具有可设计性强、高效、成本低等优点，用其制得的复合材料性能优成本低。

Description

一种高性能纤维三维预成型体成型方法

技术领域

本发明涉及一种用于纤维增强复合材料的增强结构相，具体涉及一种高性能纤维三维预成型体成型方法。

背景技术

早期的纤维增强复合材料的增强结构相主要是短纤维和连续纤维两种形式，增强纤维之间未能有效地缠结，仅靠基体树脂材料将其粘结，材料横向强度和抗冲击损伤等性能较低。80年代开始将增强纤维加工成二维预成型体，使纤维按一定的规律在平面内相互交织和缠结，提高了材料的面内强度，改善了材料的面内抗冲击损伤性能。但是，二维预成型体由于其厚度非常小，因而难以满足现代先进复合材料发展的需要。随着科技的不断进步，发达国家率先研发并采用了三维预成型体作为先进复合材料的增强结构相，从而大幅度提升了纤维增强复合材料的整体性能，成为先进复合材料制备的关键核心材料。发达国家长期以来一直对高性能纤维三维预成型体及其复合材料技术采取保护政策，他们不仅是出于经济利益的考虑，更重要的是出于军事和国家战略利益的考虑，遏制其他国家发展先进复合材料技术，特别是对应用于航空航天等领域的高性能纤维三维预成型体这一关键核心技术采取严厉的技术封锁和保护政策。

纤维增强复合材料的增强材料起到骨架作用，其成份为玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、高强高模聚乙烯纤维、硼纤维、氧化铝纤维和碳化硅纤维等纤维；纤维增强复合材料的基体材料起到粘结作用，其成份可为环氧树脂、不饱和聚酯树脂、酚醛树脂等合成树脂。传统的纤维增强复合材料采用手糊法复合成型。该方法先准备好制品形状相对应的模具，在模具上涂上一层脱模剂，裁剪好与模具形状相对应的纤维布，按照一定配方，把固化剂(包括交联剂、引发剂和促进剂)、着色剂、填料等辅助成份调进胶水状的合成树脂中而得到含有助剂的合成树脂。糊制时用合成树脂把纤维布等一层一层地裱糊在模具上直到符合厚度的要求，经过修剪毛边后，在适宜的温度下合成树脂在固化剂的作用下发生化学变化，直到固化完成纤维增强复合材料的制作。但是手糊成型主要缺陷表现在：树脂的用料多、劳动强度高、因为固化剂中的交联剂通常采用苯乙烯，而苯乙烯是挥发物质，对操作工人的健康有损害，也容易造成大气污染。随着复合工艺的进步，目前主要采用闭模成型方法，也就是说，在密闭的模具中完成复合材料的制作。其一种方案是在厘米厚的聚氨酯发泡材料上开设沟槽，再将玻璃纤维布或者碳纤维或者芳纶纤维布等、聚氨酯发泡材料、纤维毡等依次放入模具中，然后在密闭的条件下注入含有助剂的合成树脂层，合成树脂固化完成后则得到相应的复合材料制品，但这种复合材料制品的制作方法只适用于壁厚比较厚的制品，也就是说受到厚度不能小于3厘米的限制，并且这种制品的强度较低、易分层。为解决上述问题，发明了高性能纤维三维预成型体，它是先进复合材料制备的技术关键和前沿发展方向，倍受国内外国防、军事、航空、航天等高技术领域的广泛重视，发达国家长期以来一直对其采取严厉的技术封锁和保护政策。目前比较多见的是三维编织预成型体，但这种三维预成型体制造效率太低、成本太高，只能满足部分需要，难以满足复合材料的规模化生产和应用需要。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种先进纤维增强复合材料的增强结构相、且适用于复合材料闭模成型工艺规模化生产的高性能纤维三维预成型体成型方法、采用这种高性能纤维三维预成型形成纤维增强复合材料，其厚度不受不能小于3厘米的限制，且强度强。

实现本发明的技术方案是：将短切玻纤薄毡或玻纤连续毡﹢玻纤机织单向布或高强高抗冲玻纤布或玻纤无捻粗纱(经、纬纱)﹢导流夹芯材料﹢轴向织物(双轴向(±45°)、三轴向(±45°、0°)、三轴向(±45°、90°)、四轴向(±45°、0°、90°))﹢玻纤机织单向布或高强高抗冲玻纤布或玻纤无捻粗纱(经、纬纱)﹢将短切玻纤薄毡或玻纤连续毡，通过缝编线一次性缝编而成三维预成型体。其中为了弥补玻璃纤维横向剪力不足的缺陷，采用三种方法解决：一是在材料层层叠加中部分采用其他高性能纤维，如芳纶纤维、聚酰亚胺纤维等；二是采用玻纤/碳纤﹢其他高性能纤维；三是采用其他高性能纤维完全取代玻纤。

所述玻璃纤维可以是碳纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维毡等高性能纤维。

所述短切玻纤薄毡或玻纤连续毡可以为短切碳纤毡、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维毡等。

所述玻纤机织单向布或高强高抗冲玻纤布可以是碳纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维毡等高性能纤维机织布。

所述玻纤无捻粗纱(经、纬纱)是由玻璃纤维经纱层和玻璃纤维纬纱层组成，也可以是碳纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维等高性能纤维经纱层和碳纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维等高性能纤维纬纱层组成。

所述导流夹芯材料是指非织造材料(针刺毡、化学粘合毡等)，所用纤维可以为各种合成纤维，如聚酯纤维、尼龙纤维、聚苯硫醚纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维等有机纤维。在上述这些主体合成纤维中均匀共混低熔点纤维后，通过梳理、铺网、预针刺成毡或者化学粘合成毡后，采用特定温度热定型后使材料保持丰富孔隙的立体蓬松结构形态，满足了后续采用闭模成型工艺与树脂复合中有效导流性，适应大规模生产的工艺要求。

所述轴向织物是指双轴向织物(±45°)、三轴向织物(±45°、0°)、三轴向织物(±45°、90°)、四轴向织物(±45°、0°、90°)中的一种或者多种组合，所用纤维可以为玻璃纤维、碳纤维等无机纤维或者聚苯硫醚纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维等有机纤维。

所述高性能纤维三维预成型体为上述各材料层层叠加后，通过缝编线一次性缝编而连接在一起。在缝编机构中，通过花盘带动梳节上下左右运动，槽针、针芯相互配合使缝编线穿过各层材料，形成相互缠结的线圈，将各层材料一次性缝编而成高性能纤维三维预成型体。

上述高性能纤维三维预成型体的厚度为2mm-100mm。

本发明具有以下优点：：(1)本发明的高性能纤维三维预成型体是将多层材料一次缝编成型，它可以无限组合形成各种应用需要的高性能纤维三维预成型体，适合于RTM(树脂传递模塑成型工艺)，VARTM(真空辅助树脂转移模塑工艺)等闭模成型工艺，具有可设计性强、工艺简单、工效高、制造成本低等优点，所得纤维增强复合材料(先进复合材料)产品强度高、成本低，特别是改善了劳动环境和降低了劳动强度，因为苯乙烯作为交联剂可以全部进入复合材料产品中，故消除了对大气产生的污染。(2)本发明的导流夹芯材料是一种起到导流作用的非织造材料，由于该非织造材料在制备中添加了一定量的低熔点纤维，通过特定温度热定型后使材料保持丰富孔隙的立体蓬松结构形态，满足了后续采用闭模成型工艺与树脂复合中有效导流性，适应大规模生产的工艺要求。它不仅使三维预成型体制品具有高速的浸透性和快速的导流性，而且使得三维预成型体制品具有较好的弹性，有利于制备厚度较厚的轻量化复合材料。(3)以本发明的高性能纤维三维预成型体为增强材料的形成的复合材料，可广泛运用于高速舰艇外壳、赛车、风力发电机浆叶片、混凝土建筑补墙、玻璃钢船、管道、玻璃钢型材、桥架、环保工程等领域；可成为航空航天飞行器的主结构、发动机、制动装置以及热防护等主要系统的关键材料；并可广泛应用于高档汽车整体构件、飞机结构材料、军用车辆装甲和头盔、航天飞机上的耐高温材料等。

附图说明

图1为三维预成型体产品结构示意图。

图2高性能玻纤三维预成型体外观示意图。

图3高性能玻纤/碳纤三维预成型体外观示意图。

图4高性能玻纤/芳纶三维预成型体外观示意图。

具体实施方式

下面进一步说明项目产品设计原理，见产品结构示意图1。

图1中1为纤维材料层、2为导流夹芯材料层、3为增强纤维材料层、31为经纱层、32为纬纱层、4为缝编线。图1中增强纤维材料层3由经纱层31和纬纱层32组成，将增强纤维材料层1、导流夹芯材料层2和增强纤维材料层3，通过缝编线4一次性缝编而成三维预成型体。其中：经纱层31和纬纱层32的材料为纤维无捻粗纱。

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明，但并不限制本发明。此外应理解，在阅读了本发明所授内容之后，本领域技术人员可以对本发明做各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1：一种高性能玻纤三维预成型体(图2)

按照图1所示，将增强纤维材料层1、导流夹芯材料层2和增强纤维材料层3，即将上述材料按需要层层叠加后，在缝编机构中，通过花盘带动梳节上下左右运动，槽针、针芯相互配合使缝编线4穿过各层材料，形成相互缠结的线圈，将各层材料一次性缝编而成高性能玻纤三维预成型体。其中：经纱层31和纬纱层32的材料为玻纤无捻粗纱；1纤维材料层可以为短切玻纤层、玻纤短切毡、玻纤薄毡或玻纤连续毡；2导流夹芯材料层为有机纤维针刺或化学粘合等非织造材料；3增强纤维材料层为玻纤长丝组成，可以为双轴向织物(±45°)、三轴向织物(±45°、0°)、三轴向织物(±45°、90°)、四轴向织物(±45°、0°、90°)中的一种或者多种组合，4缝编线可以为聚酯、尼龙等有机纤维短纤纱或长丝。形成的外观见图2。

实施例2：一种高性能玻纤/碳纤三维预成型体(图3)

为进一步提高三维预成型体拉伸强度，按照图1所示，将增强纤维材料层1、导流夹芯材料层2和增强纤维材料层3，即将上述材料按需要层层叠加后，在缝编机构中，通过花盘带动梳节上下左右运动，槽针、针芯相互配合使缝编线4穿过各层材料，形成相互缠结的线圈，将各层材料一次性缝编而成高性能玻纤/碳纤三维预成型体。图1中增强纤维材料层3由玻纤/碳纤维经纱层31和玻纤/碳纤维纬纱层32组成，其中：经纱层31和纬纱层32的材料为玻纤无捻粗纱；1纤维材料层可以为碳毡、短切玻纤层、玻纤短切毡、玻纤薄毡、或玻纤连续毡；2导流夹芯材料层为有机纤维针刺或化学粘合等非织造材料；3增强纤维材料层为玻纤/碳纤维长丝组成，可以为双轴向织物(±45°)、三轴向织物(±45°、0°)、三轴向织物(±45°、90°)、四轴向织物(±45°、0°、90°)中的一种或者多种组合，4缝编线可以为聚酯、尼龙等有机纤维短纤纱或长丝。形成的外观见图3。

实施例3：一种高性能玻纤/芳纶三维预成型体(图4)

为进一步提高三维预成型体冲击强度，按照图1所示，将增强纤维材料层1、导流夹芯材料层2和增强纤维材料层3，即将上述材料按需要层层叠加后，在缝编机构中，通过花盘带动梳节上下左右运动，槽针、针芯相互配合使缝编线4穿过各层材料，形成相互缠结的线圈，将各层材料一次性缝编而成高性能玻纤/芳纶三维预成型体。图1中增强纤维材料层3由玻纤/芳纶纤维经纱层31和玻纤/芳纶纤维纬纱层32组成，其中：经纱层31和纬纱层32的材料为玻纤/芳纶纤维无捻粗纱或长丝；1纤维材料层可以为短切玻纤层、玻纤短切毡、玻纤薄毡、或玻纤连续毡；2导流夹芯材料层为有机纤维针刺或化学粘合等非织造材料；3增强纤维材料层为玻纤/芳纶纤维长丝组成，可以为双轴向织物(±45°)、三轴向织物(±45°、0°)、三轴向织物(±45°、90°)、四轴向织物(±45°、0°、90°)中的一种或者多种组合，4缝编线可以为聚酯、尼龙等有机纤维短纤纱或长丝。形成的外观见图4。

对上述各例的进一步说明：为满足各重应用需要，可将各组合材料部分或者全部采用其它有机高性能纤维。

图1中1为纤维材料层、2为导流夹芯材料层、3为增强纤维材料层、31为经纱层、32为纬纱层、4为缝编线。增强纤维材料层3由经纱层31和纬纱层32组成，将增强纤维材料层1、导流夹芯材料层2和增强纤维材料层3，通过缝编线4一次性缝编而成三维预成型体。其中：经纱层31和纬纱层32的材料为无捻粗纱或长丝；纤维材料层1可以为纤维薄毡或连续毡等；导流夹芯材料层2为有机纤维针刺或化学粘合等非织造材料；增强纤维材料层3为长丝。可以为双轴向织物(±45°)、三轴向织物(±45°、0°)、三轴向织物(±45°、90°)、四轴向织物(±45°、0°、90°)中的一种或者多种组合。

Claims (10)

1.一种高性能纤维三维预成型体成型方法，其特征在于：由纤维层(1)、导流夹芯材料层(2)、增强纤维层(3)、叠合并缝编连接在一起而构成，且导流夹芯材料层(2)位于纤维层(1)与增强纤维层(3)中间。

2.根据权利要求1所述的一种高性能纤维三维预成型体，其特征在于：所述增强纤维层(3)由纤维经纱层(31)和纤维纬纱层(32)组成，且纤维纬纱层(32)位于纤维经纱层(31)和导流夹芯材料层(2)之间，纤维经纱层(31)、纤维纬纱层(32)、导流夹芯材料层(2)和纤维层(1)一次性缝编而连接在一起：纤维经纱层(31)和纤维纬纱(32)的材料均为纤维无捻粗纱或者长丝。

3.根据权利要求1或2所述的纤维层(1)，其特征在于：所述纤维层(1)可以是玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维毡等高性能纤维。

4.根据权利要求1或2所述的纤维层(1)，其特征在于：所述纤维层(1)为短切纤维层、纤维短切毡、纤维连续毡或者纤维薄毡，可以为短切碳纤毡、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维毡等。

5.根据权利要求1或2所述的高性能纤维三维预成型体，其特征在于：所述导流夹芯材料(2)是指非织造材料(针刺毡、化学粘合毡等)，所用纤维可以为各种合成纤维，如聚酯纤维、尼龙纤维、聚苯硫醚纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维等有机纤维。在上述这些主体合成纤维中均匀共混低熔点纤维后，通过梳理、铺网、预针刺成毡或者化学粘合成毡后，采用特定温度热定型后使材料保持丰富孔隙的立体蓬松结构形态，满足了后续采用闭模成型工艺与树脂复合中有效导流性，适应大规模生产的工艺要求。

6.根据权利要求1所述的高性能纤维三维预成型体，其特征在于：所述增强纤维层(3)指双轴向织物(±45°)、三轴向织物(±45°、0°)、三轴向织物(±45°、90°)、四轴向织物(±45°、0°、90°)中的一种或者多种组合，所用纤维可以为玻璃纤维、碳纤维等无机纤维或者聚苯硫醚纤维、芳纶纤维和聚酰亚胺纤维等有机纤维，纤维层(1)、导流夹芯材料层(2)与增强纤维层(3)一次性缝编而连接在一起。

7.根据权利要求1所述的高性能纤维三维预成型体，其特征是通过缝编线一次性缝编而连接在一起。所述缝编线可以为聚酯、尼龙等有机纤维短纤纱或长丝。

8.根据权利要求1-7所述的制作方法，其特征在于：将所述的增强纤维层由纤维经纱层和纤维纬纱层组成，纤维经纱层和纤维纬纱层的材料均为无捻粗纱或者长丝；纤维纬纱层依次经过铺纬机构、平行移动机构、链条运输机构后，由引纬机构送入缝编机构，同时纤维经纱层经过导纱机构后由送经机构送入缝编机构。

9.根据权利要求1-8所述的制作方法，其特征在于：所述高性能纤维三维预成型体为上述各材料层层叠加后，通过缝编线一次性缝编而连接在一起。在缝编机构中，通过花盘带动梳节上下左右运动，槽针、针芯相互配合使缝编线穿过各层材料，形成相互缠结的线圈，将各层材料一次性缝编而成高性能纤维三维预成型体。

10.根据权利要求6-9所述的制作方法，其特征在于：所述高性能纤维三维预成型体的厚度为2mm-100mm。