CN109735996B

CN109735996B - 一种复合材料z向纤维低磨损三维成形方法

Info

Publication number: CN109735996B
Application number: CN201811569858.4A
Authority: CN
Inventors: 刘丰; 单忠德; 吴晓川; 杜悟迪; 侯卓健
Original assignee: China Academy Of Machinery Science And Technology Group Co ltd; Beijing National Innovation Institute of Lightweight Ltd
Current assignee: China Academy Of Machinery Science And Technology Group Co ltd; Beijing National Innovation Institute of Lightweight Ltd
Priority date: 2018-12-21
Filing date: 2018-12-21
Publication date: 2021-09-17
Anticipated expiration: 2038-12-21
Also published as: CN109735996A

Abstract

本发明涉及一种复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法。本发明方法的步骤为：将Z向纤维外层包裹上浆料，构建集束性好、耐磨损的Z向阵列，依据制备制件的结构模型，将X、Y向纤维分别沿阵列的X、Y向间隙进行布置，并对织造层进行分阶段紧实处理，完成预制体成形织造后，去除预制体中纤维外层的浆料，获得紧实度高、综合性能好、结构稳定性强的三维复合材料预制体。本发明提出的复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法提高了Z向纤维束的集束性和硬挺度，使得Z向纤维束构成的Z向阵列具有更高的结构稳定性，同时，通过表面浆料的包裹降低了Z向纤维束的磨损，保证了复合材料预制体的综合性能。

Description

一种复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法

技术领域

本发明涉及复合材料预制体制造技术领域，具体涉及一种复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法。

背景技术

三维复合材料具有损伤容限高、层间性能好、抗裂纹扩展能力强、结构设计灵活等优点，广泛应用于航空航天、国防军工等尖端领域。目前，三维复合材料的成形方法主要有三维机织、三维编织以及细编穿刺、缝合、针刺等准三维成形方法，其主要技术方法是在复合材料Z向引入第三向增强体，可有效提高复合材料的层间结合强度。

上述几种复合材料三维成形方法，最主要的差别是Z向增强体的引入方式不同，其中，三维机织、三维编织方法都是将X、Y、Z三向纤维同时引入，通过连接方式的不同实现三维结构复合材料预制体的成形，Z向纤维均为丝束状态，较柔软，易于编织成形，因此，Z向纤维会与X、Y向纤维形成互锁的结构形式，使得Z向纤维局部屈曲，降低了Z向纤维的增强作用。而细编穿刺、缝合和针刺等方法，则是借助外力将Z向纤维置入预制体，Z向纤维与面内纤维层无直接连接，从而降低了成形后预制体的整体性，同时，Z向纤维均为后续引入面内纤维层中，Z向纤维在穿透面内纤维层时，极易造成Z向纤维和面内纤维的磨损，最终降低纤维的增强作用，从而降低复合材料的综合性能。

发明内容

本发明主要提供一种复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法，该方法将Z向纤维进行预处理，利用浆料均匀包裹Z向纤维丝束，提高了纤维丝束的抗磨损性能，同时提高了Z向纤维束的硬挺度、刚度，有利于保证复合材料预制体内部纤维性能的同时保障预制体的结构稳定性。

本发明提供一种复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法，具体步骤如下：

a)基于需制备制件的尺寸和性能要求，建立所述制件的结构模型，并确定X、Y、Z三向纤维材质和规格；

b)将所述Z向纤维外层包裹上浆料，固化后得到集束性好、刚度高、抗磨的包浆Z向纤维；

c)将所述包浆的Z向纤维固定于导向阵列支架上，依据所述制件的结构模型，构建Z向阵列；

d)依据所述Z向阵列，将所述X向纤维沿所述Z向阵列的X向间隙进行布置；

e)依据所述Z向阵列，将所述Y向纤维沿所述Z向阵列的Y向间隙进行布置，获得第一层织造层；

f)重复步骤d)、e)，完成指定层数后，将已经完成的织造层进行加热紧实处理，提高不同织造层纤维之间的粘粘程度，从而获得高密度的预制体；

g)重复步骤d)、e)、f)，完成所述制件预制体的织造成形；

h)将所述制件预制体进行脱浆料处理。

进一步的，将Z向纤维外层包裹上浆料，浆料包括聚乙烯醇、丙烯酸、淀粉、聚氨酯。

进一步的，赋予包浆后的Z向纤维指定的张紧力，将具有指定张紧力的Z向纤维束依据制件的结构模型，构建Z向阵列。

进一步的，X、Y、Z三向纤维选自定长纤维或连续纤维。

进一步的，将X、Y向纤维沿所述阵列间隙进行布置，可以将X、Y向纤维束直接沿Z向阵列的间隙进行铺设，也可以将X、Y向纤维进行预处理，在X、Y向纤维束的外层包裹上与Z向纤维相同的浆料后，一种方式是在浆料未完全固化之前，直接将挂着浆料的X、Y向纤维沿阵列间隙进行铺设，另一种方式，可以待X、Y向纤维表面的浆料固化后，再沿阵列间隙进行铺设。

进一步的，在完成所有织造层的成形后，将获得的制件预制体进行去除浆料处理，依据不同浆料的材料特性，可以通过解、融化、分解等工艺去除纤维束表面的浆料。

本发明有益的效果是：

⒈对Z向纤维束进行了表面预处理，通过浆料的包裹，提高了Z向纤维束的集束性和硬挺度，使得Z向纤维束构成的Z向阵列具有更高的结构稳定性，同时，由于表面浆料的包裹，降低了Z向阵列在织造过程中，面内纤维对于Z向纤维束的磨损，保证了复合材料预制体的综合性能。

⒉将X、Y向纤维束也进行包裹浆料的表面预处理，一方面，通过浆料粘度提高面内纤维束之间的结合强度；另一方面，待浆料固化后再进行X、Y向纤维的铺设，可以提高纤维束的刚度，避免预制体在紧实过程中，面内纤维的屈曲变形，提高预制体的面内性能。

⒊在完成预制体成形后，对预制体进行去除浆料处理，可以避免在预制体后续的成型过程中内部纤维与基体材料的结合界面处有第三相材料的存在，从而影响纤维与基体的结合强度。

具体实施方式

本发明复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法的具体步骤如下：

a)选取需要制备的三维结构复合材料制件，基于需制备制件的尺寸和性能要求，建立所述制件的结构模型，选定X、Y向纤维均为3K碳纤维，Z向纤维为12K碳纤维；

b)将Z向纤维外层包裹上4％质量浓度的聚乙烯醇的混合水溶剂(助剂为有机硅整理剂)，固化后得到具有一定硬挺度的Z向纤维，Z向纤维直径1.2mm；

c)将预处理后的每一束Z向纤维束赋予5N～10N的张紧力，再将具有一定张紧力的Z向纤维固定于导向阵列支架上，构建Z向阵列，阵列中心距为2.4mm；

d)将X向纤维表面包裹上4％质量浓度的聚乙烯醇的混合水溶剂(助剂为有机硅整理剂)，经过预烘干处理后直接将包裹上聚乙烯醇浆料的X向纤维沿阵列的X向间隙进行铺设；

e)将Y向纤维表面包裹上4％质量浓度的聚乙烯醇的混合水溶剂(助剂为有机硅整理剂)，经过预烘干处理后直接将包裹上聚乙烯醇浆料的Y向纤维沿阵列的Y向间隙进行铺设，获得第一层织造层；

f)重复步骤d)、e)，完成20层纤维的织造后，进行紧实处理，同时加热织造平台和挤压平台，实现对预制体上下表面的同时加热，促进织造层之间的紧实结合；

g)重复步骤d)、e)、f)，完成制件预制体的织造成形；

h)将成形后的制件预制体，通过热水水浴的方式，去除聚乙烯醇浆料，最后获得全碳纤维的预制体。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，上述实施例是对本发明的进一步的说明，不应将此理解为本发明的范围仅限于上述实施例。凡基于上述内容所实现的技术均属于本发明的范围。

Claims

1.一种复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法，其特征在于，具体步骤如下：

b)将所述Z向纤维外层包裹上浆料，固化后得到集束性好、抗磨的包浆Z向纤维；

c)依据所述制件的结构模型，将所述包浆的Z向纤维固定于导向阵列支架上，构建Z向阵列；

f)重复步骤d)、e)，完成指定层数后，将已经完成的织造层进行加热紧实处理；

g)重复步骤d)、e)、f)，完成所述制件预制体的织造成形；

h)将所述制件预制体进行去除浆料处理。

2.根据权利要求1所述的复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法，其特征在于，将Z向纤维外层包裹上浆料，浆料为聚乙烯醇。

3.根据权利要求1所述的复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法，其特征在于，所述的Z向阵列中Z向纤维具有指定张紧力。

4.根据权利要求1所述的复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法，其特征在于，所述的纤维选自定长纤维或连续纤维。

5.根据权利要求1所述的复合材料Z向纤维低磨损三维成形方法，其特征在于，将所述X、Y向纤维直接沿所述阵列间隙进行布置，或将所述X、Y向纤维外层包裹上浆料后沿所述阵列间隙进行布置。