CN109263168B - 一种多结构复合材料预制体及其复合成形制造方法 - Google Patents

一种多结构复合材料预制体及其复合成形制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种由底层编织结构、中层点阵结构、上层编织结构和外层短纤维结构组成的多结构复合材料预制体，其中上层、底层编织结构通过编织工艺成形，中层点阵结构通过连续纤维打印工艺成形，外层短纤维结构通过水刺工艺附着在上层编织结构上，形成不分层的、包含多个结构的复合材料预制体。该方法具有成形周期短、操作简单、成本低、适应性强等优点。

Description

一种多结构复合材料预制体及其复合成形制造方法
技术领域
本发明涉及一种多结构复合材料预制体结构及其复合成形制造方法，属于复合材料预制体制备领域。该方法通过编织工艺、打印工艺和水刺工艺的组合，可制备出由编织结构、点阵结构和短纤维结构组成的复合材料预制体。
背景技术
复合材料构件具有高比强度、高比刚度、抗冲击性能好以及能够实现材料/设计/制造一体化等优点，在航空航天、交通运输和船舶运输等领域得到广泛应用。传统复合材料构件主要由单一结构组成，成形工艺也主要有单一工艺完成。随着复合材料应用范围越来越广泛，复合材料朝着结构功能一体化方向发展，传统工艺方法很难满足应用要求。
多结构复合材料构件不仅具有单一结构复合材料构件的优异性能，同时能够充分利用多种结构的优点，使其性能更加优异，能够在更复杂应力条件下使用，适用领域更广泛。比如一种承力部件，既要求承受复杂静力载荷，又要满足高温重载使用条件，单一结构复合材料构件难以满足使用要求，迫切需求多结构复合材料构件。但是现有工艺方法难以实现多结构复合材料构件成形。
发明内容
为解决现有复合材料构件材料体系单一、结构简单等问题，本发明提供一种多结构复合材料预制体及其复合成形制造方法，通过编织工艺、打印工艺和水刺工艺的组合，可制备出由编织结构、点阵结构和短纤维结构组成的复合材料预制体。该方法具有成形周期短、操作简单、成本低、适应性强等优点。
本发明所采用的技术方案如下：
一种多结构复合材料预制体，该多结构复合材料预制体由底层编织结构、中层点阵结构、上层编织结构和外层短纤维结构组成；其中上层编织结构和底层编织结构通过中层点阵结构连接成一体，外层短纤维结构附着在上层编织结构上，构成多结构复合材料预制体。
底层编织结构和上层编织结构由X向纱线、Y向纱线和Z向纱线组成，Z向纱线与X向纱线垂直，Z向纱线和Y向纱线垂直。
中层点阵结构由长纤维增强热塑性复合材料组成，纤维是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种，或是其中几种纤维的组合。
中层点阵结构是X型点阵结构、Y型点阵结构、V型点阵结构、I型点阵结构、N型点阵结构、M型点阵结构、W型点阵结构和正弦波型点阵结构中的一种，或其中几种类型点阵结构的组合。
外层短纤维结构由金属短纤维、碳化硅短纤维和碳纤维短纤维相互缠结组成，其中金属短纤维质量含量3.5％～4.7％，碳化硅短纤维质量含量8.9％～11.2％，其余为碳纤维短纤维。
该多结构复合材料预制体的复合成形制造方法包括以下步骤：
步骤一：根据上层编织结构和底层编织结构的设计要求排布上层Z向导向结构和底层Z向导向结构，形成上层Z向导向结构阵列和底层Z向导向结构阵列；
步骤二：在上层Z向导向结构阵列中按照设计要求缠绕X向纱线和Y向纱线，形成层数为n的编织结构；在底层Z向导向结构阵列中按照设计要求缠绕X向纱线和Y向纱线，形成层数为m的编织结构；
步骤三：在上层编织结构和底层编织结构之间采用连续纤维打印工艺打印包覆有热塑性树脂的纤维束，形成中层点阵结构，将底层编织结构和上层编织结构连接成一体；
步骤四：重复步骤二和步骤三，直至上层编织结构、中层点阵结构和底层编织结构达到设计要求；
步骤五：将Z向导向结构替换成Z向纱线；
步骤六：将混有一定比例金属短纤维、碳化硅短纤维的碳纤维毡放置于上层编织结构上方，然后采用水刺工艺使碳纤维毡中的纤维发生位移，使碳纤维毡与上层编织结构缠结成一体，形成外层短纤维结构；
步骤七：经80℃～100℃去除水分烘干后，获得多结构复合材料预制体。
步骤一、步骤二和步骤五中的Z向导向结构表面光滑，横截面形状为圆形，长度根据多结构复合材料预制体的高度设计。
步骤一中的上层编织结构和底层编织结构的Z向导向结构的排布方式相同或不相同。
步骤二中上层编织结构中X向纱线、Y向纱线的缠绕方向和底层编织结构中X向纱线、Y向纱线的缠绕方向相同或不相同，纤维种类是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种，或其中几种纤维的组合。
步骤二中层数n和层数m相同或不相同。
步骤三中包覆有热塑性树脂的纤维束至少将1根上层Z导向结构和1根底层Z向导向结构包围在点阵结构中。
步骤三中的热塑性树脂是聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺。
步骤三中连续纤维打印工艺的工艺参数根据热塑性树脂的种类、理化性能确定。
步骤六中水刺工艺的工艺参数为水刺压力7MPa～9.5MPa，工艺距离35mm～40mm。
步骤六中碳纤维毡的克重为45g/m2～60g/m2。
基于以上表述，实现多结构复合材料预制体的复合成形制造。
附图说明
图1为本发明多结构复合材料预制体结构示意图。
图2为本发明底层和上层编织结构示意图(5-X向纤维，6-Y向纤维，7-Z向纤维)。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施案例进一步阐明本发明内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施案例。此外，本技术领域人员在阅读了本发明阐述的内容后可对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样适用于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例：某航天用多结构复合材料预制体，厚度80mm，高度120mm。上层编织结构厚度16mm，X向纱线、Y向纱线选用碳纤维，纤维规格T300 3K，层密度40层/cm；Z向纱线选用碳纤维，纤维规格T300 6K，2合股，Z向丝数中心距2.0mm。底层编织结构厚度10mm，X向纤维、Y向纤维选用碳化硅纤维，纤维规格6K，层密度16层/cm；Z向纤维选用碳纤维，纤维规格T3006K，Z向丝数中心距3.0mm。中层点阵结构厚度50mm，纤维选用碳纤维，纤维规格T300 3K，热塑性树脂选用聚丙烯，点阵类型为X型。外层短纤维结构厚度4mm，碳纤维毡克重50g/m2，金属短纤维质量含量4.1％，碳化硅短纤维质量含量9.7％。
具体实施步骤：
(1)按设计要求排布上层Z向导向结构和底层Z向导向结构，上层导向结构直径1.0mm，中心距2.0mm，高度140mm，按正方形排布方式排布导向结构，形成上层Z向导向结构阵列；底层导向结构直径1.5mm，中心距3.0mm，高度140mm，按三角形排布方式排布导向结构，形成底层Z向导向结构阵列。
(2)在上层Z向结构阵列中沿X方向采用环形路径缠绕1层T300 3K碳纤维纱线，再沿Y方向采用环形路径缠绕1层T300 3K碳纤维纱线，按此方式交替缠绕X向纱线和Y向纱线，直至上层编织结构的纱线层数到达40层，高度10mm；在底层Z向结构阵列中沿X方向采用环形路径缠绕1层6K碳化硅纤维，再沿Y方向采用环形路径缠绕1层6K碳化硅纤维，再沿X方向采用“8”字形路径缠绕1层6K碳化硅纤维，再沿Y方向采用“8”字形路径缠绕1层6K碳化硅纤维，按照此方式交替缠绕X向纱线和Y向纱线，直至底层编织结构的纱线层数到达16层，高度10mm。
(3)在上层编织结构和底层编织结构之间采用连续纤维打印工艺打印包覆有热塑性树脂的纤维束，形成X型点阵结构，打印温度200℃，打印速度30cm/min。
(4)重复步骤(2)和步骤(3)，直至上层编织结构、中层点阵结构和底层编织结构达到设计要求。
(5)使用T300 6K碳纤维2合股将上层导向结构逐根替换成纱线；使用T3006K碳纤维将底层导向结构逐根替换成纱线。
(6)完成纱线替代后，将其放置于水刺平台上，在上层编织结构上铺放一层混有金属短纤维、碳化硅纤维的碳纤维毡，启动水刺机，对碳纤维毡进行水刺，使碳纤维毡中的纤维发生位移，使碳纤维毡与上层编织结构缠结成一体，形成外层短纤维结构，水刺压力8MPa，工艺距离38mm。
(7)经85℃去除水分烘干后，获得最终多结构复合材料预制体。

Claims (12)

1.一种多结构复合材料预制体，其特征在于该多结构复合材料预制体由底层编织结构、中层点阵结构、上层编织结构和外层短纤维结构组成；
所述上层编织结构和底层编织结构通过中层点阵结构连接成一体，所述底层编织结构和上层编织结构由X向纱线、Y向纱线和Z向纱线组成，Z向纱线与X向纱线垂直，Z向纱线和Y向纱线垂直；
所述中层点阵结构由长纤维增强热塑性复合材料组成，纤维是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种，或其中几种纤维的组合；
所述中层点阵结构是X型点阵结构、Y型点阵结构、V型点阵结构、I型点阵结构、N型点阵结构、M型点阵结构、W型点阵结构和正弦波型点阵结构中的一种，或其中几种类型点阵结构的组合；
所述外层短纤维结构由金属短纤维、碳化硅短纤维和碳纤维短纤维相互缠结组成，其中金属短纤维质量含量3.5％～4.7％，碳化硅短纤维质量含量8.9％～11.2％，其余为碳纤维短纤维；
所述外层短纤维结构附着在所述上层编织结构上，是将混有一定比例金属短纤维、碳化硅短纤维的碳纤维毡放置于上层编织结构上方，然后采用水刺工艺使碳纤维毡中的纤维发生位移，使碳纤维毡与上层编织结构缠结成一体。
2.一种多结构复合材料预制体的复合成形制造方法，其特征在于具体工艺包括以下步骤：
1)根据上层编织结构和底层编织结构的设计要求排布上层Z向导向结构和底层Z向导向结构，形成上层Z向导向结构阵列和底层Z向导向结构阵列；
2)在上层Z向导向结构阵列中按照设计要求缠绕X向纱线和Y向纱线，形成层数为n的编织结构；在底层Z向导向结构阵列中按照设计要求缠绕X向纱线和Y向纱线，形成层数为m的编织结构；
3)在上层编织结构和底层编织结构之间采用连续纤维打印工艺打印包覆有热塑性树脂的纤维束，形成中层点阵结构，将底层编织结构和上层编织结构连接成一体；
4)重复步骤2)和步骤3)，直至上层编织结构、中层点阵结构和底层编织结构达到设计要求；
5)将Z向导向结构替换成Z向纱线；
6)将混有一定比例金属短纤维、碳化硅短纤维的碳纤维毡放置于上层编织结构上方，然后采用水刺工艺使碳纤维毡中的纤维发生位移，使碳纤维毡与上层编织结构缠结成一体，形成外层短纤维结构；
7)经80℃～100℃去除水分烘干后，获得最终多结构复合材料预制体。
3.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述Z向导向结构表面光滑，横截面形状为圆形，长度根据多结构复合材料预制体的高度设计。
4.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述上层编织结构和底层编织结构的Z向导向结构的排布方式相同或不相同。
5.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述上层编织结构中X向纱线、Y向纱线的缠绕方向和底层编织结构中X向纱线、Y向纱线的缠绕方向相同或不相同。
6.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述上层编织结构中X向纱线、Y向纱线的缠绕方向和底层编织结构中X向纱线、Y向纱线的纤维种类是碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维、碳化硅纤维、超高分子量聚乙烯纤维中的一种或其中几种纤维的组合。
7.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述层数n和层数m相同或不相同。
8.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述包覆有热塑性树脂的纤维束至少将1根上层Z导向结构和1根底层Z向导向结构包围在点阵结构中。
9.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述热塑性树脂是聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚苯硫醚、聚醚醚酮和聚酰亚胺。
10.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述连续纤维打印工艺的工艺参数根据热塑性树脂的种类、理化性能确定。
11.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述水刺工艺的工艺参数为水刺压力7MPa～9.5MPa，工艺距离35mm～40mm。
12.根据权利要求2所述的多结构复合材料预制体复合成形制造方法，其特征在于所述碳纤维毡的克重为45g/m2～60g/m2。
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