CN114292115A - 一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于陶瓷材料成型领域，具体涉及一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法，包括以下步骤：(1)将短纤维和树脂采用溶剂蒸发法制备为短纤维树脂复合粉末；(2)将短纤维树脂复合粉末和长纤维混合后熔融挤出获得树脂基预浸料丝材；(3)通过机器人激光增材制造系统对树脂基预浸料丝材进行加工获得纤维增强素坯；(4)向纤维增强素坯中浸渗活性成分获得浸渗坯体；(5)将浸渗坯体进行热解碳化得到预制体；(6)将预制体进行硅反应熔渗，即可获得增强SiC复合材料。本发明采用机器人激光增材系统可以有效的成形任意复杂的结构，简化了连续纤维增强SiC复合材料的制备工艺。
Description
技术领域
本发明属于陶瓷材料成型领域，具体涉及一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法。
背景技术
连续纤维增强SiC复合材料具有高强度、高韧性、低密度以及耐高温抗氧化的特点，在航空航天高温结构件上得到了广泛的应用。单相SiC陶瓷材料高强度、耐高温、耐磨损，但是脆性大，韧性差，一旦发生断裂会导致构件的灾难性损毁。为了加强SiC陶瓷材料，提高其断裂韧性，国内外学者通过加入颗粒、晶须、纤维等增强体进行增强增韧，其中连续纤维的增强效果最好。由于加入了连续纤维进行增韧，SiC陶瓷复合材料在断裂时具有类似金属的韧性断裂行为，大大提高了构件的脆性断裂风险，可应用于性能要求苛刻的关键构件。
目前主要通过模压成型、冲压成型、热压罐成型等技术制备纤维预制体，再通过反应烧结或气相浸渍得到连续纤维增强SiC复合材料。当前制备纤维预制体的工艺或者需要复杂的模具和工艺设计，且难以整体成型复杂构件，或者对设备要求较高，导致生产成本高，周期长，不利于产品的个性化定制。
增材制造技术为复杂结构纤维预制体的制备提供了新型的成形工艺,且可以实现低成本、短周期、定制化成形。目前通常采用熔融沉积成形(FDM)工艺来增材制备纤维预制体，但该成形工艺存在成形自由度低、层间结合差、沿Z方向拉伸强度低等局限性。此外,目前纤维预浸料通常只包含长纤维或短纤维，单一短纤维预浸料中碳纤维没有连接在一起，碳化过程中强度过低，不利于后续的渗硅工艺；而单一长纤维预浸料为了保障增材成形的顺利，纤维含量不宜过高，这将导致后续渗硅过程中碳源的不足。
CN109851362B公开了一种3D成型制备SiCf/SiC陶瓷复合材料的方法：一、混合粉末；二、参数设定；三、制备陶瓷坯体；四、固化；五、烧结；六、浸渍、裂解；七：重复步骤六操作，至裂解过程的质量增重小于1％为止，得到SiCf/SiC陶瓷复合材料。该技术方案使用了3D打印技术解决传统制备SiCf/SiC陶瓷材料构件时存在着难成型、难加工的问题，但在成形自由度和层间结合力方面还存在改进空间。
CN112976221A公开了连续纤维/陶瓷复合材料坯体的3D打印成型设备及方法，具体公开了所述成型设备包括外框架、传动机构、超声展丝浸渗装置、成型组件、两级加热组件和控制组件，通过超声展丝浸渗装置连续纤维束在浸渗浆料中被展开和浸渗，浸渗浆料的纤维束和基础浆料经两进一出喷头挤出至加热板固化成丝束，按预设程序执行打印路径获得预定纤维排布方式和外形尺寸的连续纤维/陶瓷复合材料坯体。该技术方案实现了陶瓷在纤维束内和束间充分填充、连续纤维/陶瓷丝束的自动铺放，但结构较为复杂，生产成本高，周期长，还存在改进空间。
综上所述，现有技术仍缺乏一种连续纤维增强的SiC复合材料的制备工艺。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法，通过连续碳纤维液相氧化表面改性与超声悬浮液法制备长/短纤维复合预浸料，使其具备一定的力学强度的同时保障渗硅过程中具有足够的碳源；采用机器人激光增材系统可以有效的成形任意复杂的结构，并可以通过机器人空间路径的规划实现成形件的各向同性，制备长/短纤维预制体；最后通过反应烧结来制备与成形长/短纤维增强SiC复合材料。该发明方法一方面简化了连续纤维增强SiC复合材料的制备工艺，另一方面实现机器人激光增材制造一体化成形连续纤维增强SiC复杂结构构件。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法，包括以下步骤：
(1)将短纤维和树脂采用溶剂蒸发法制备为短纤维树脂复合粉末；
(2)将短纤维树脂复合粉末和长纤维混合后熔融挤出获得树脂基预浸料丝材；
(3)通过机器人激光增材制造系统对树脂基预浸料丝材进行加工获得纤维增强陶瓷素坯；
(4)向纤维增强陶瓷素坯中浸渗活性成分获得浸渗坯体；
(5)将浸渗坯体进行热解碳化得到陶瓷预制体；
(6)将陶瓷预制体进行硅反应熔渗，即可获得增强SiC复合材料；
其中，所述长纤维是指长度为1cm以上的纤维，作为树脂基预浸料丝材的骨架；所述短纤维是指长度为0.1cm以下的纤维，作为树脂基预浸料丝材的增强材料。
作为优选，步骤(3)中，所述机器人激光增材制造系统包括机器手臂、限位器，所述机器手臂上设置有送丝装置、激光器、热压辊和剪断装置，所述送丝装置用于驱动树脂基预浸料丝材挤出，所述激光器用于加热融熔树脂基预浸料丝材，所述热压辊用于将融熔状的树脂基预浸料丝材辊压在基板上，所述剪断装置用于剪断丝材，所述限位器用来控制基板的旋转。
作为优选，步骤(3)具体包括：
(3-1)根据陶瓷素坯的设定形状，对设定形状进行模型分析，以承载空间曲面为基底，根据截面形状的不同，在其法矢方向对设定形状随形曲面结构进行逐层曲面切片处理获得切片数据；
(3-2)将切片数据处理并生成机器手臂和限位器的运动轨迹，并实时控制机器手臂和限位器的运动，使用送丝装置驱动送出纤维增强预浸料丝材，使用激光器加热融熔树脂基预浸料丝材，然后用热压辊将融熔状的树脂基预浸料丝材辊压在基板上，逐层打印；
(3-3)通过剪断装置剪断丝材，将加工好的纤维增强预浸料丝材与基底进行分离，从而获得纤维增强陶瓷素坯。
作为优选，步骤(3-1)中，根据设定形状的形状特征，选取栅格路径或螺旋路径规划。
作为优选，所述短纤维为碳纤维、SiC纤维和玻璃纤维中的至少一种，所述树脂为聚乳酸、聚酰胺、ABS和热塑性酚醛树脂中至少一种，所述长纤维为碳纤维、SiC纤维和玻璃纤维中的至少一种。
作为优选，步骤(1)中所述溶剂蒸发法为将短纤维和树脂溶解后，通过球磨机混合均匀，然后蒸馏去除溶剂使得树脂以短纤维颗粒为核析出在短纤维表面；
优选的，长纤维使用前进行表面改性，所述表面改性的方法包括涂层处理法、等离子体处理法、表面接枝法和表面氧化法中的一种。进行表面改性用来增加结力。对连续长纤维束进行表面改性，以增强长纤维的表面活性便于与树脂浆料或粉体的结合。
作为优选，步骤(2)中熔融挤出具体为：将短纤维树脂复合粉末溶解后进行超声获得悬浮液，将长纤维通过悬浮液，然后干燥、熔融和挤出成型，即可获得树脂基预浸料丝材。
作为优选，步骤(4)中活性成分为热固性树脂和纳米炭黑中的至少一种，所述浸渗为将纤维增强陶瓷素坯置于活性成分溶液中真空浸渗，干燥后得到浸渗坯体。
作为优选，步骤(5)中热解温度范围为800℃-900℃。
作为优选，步骤(6)中硅反应熔渗包括液相渗硅、气相渗硅、化学气相渗透、先驱体浸渍裂解中的一种或多种的复合工艺。
本发明的有益效果有：
(1)本发明提出的机器人激光增材制造系统采用了机器人和变位机联合协同运动的方式，带动碳纤维增强复合材料挤出头实现空间任意位置送丝，从而实现一体化成形任意复杂空间曲面结构纤维增强SiC复合材料构件。
(2)本发明提出的长/短纤维增强SiC陶瓷复合材料制备工艺流程较传统制备工艺有着更强的灵活性，能够通过调控长/短纤维与热塑性树脂的比例来得到不同纤维含量的纤维增强预浸料，从而更好地适用于多种应用场合。
(3)本发明提出的机器人激光增材制造制备与成形长/短纤维增强SiC复合材料，可以通过任意选取不同种类的长、短纤维进行组合，可以灵活适用于不同的应用场合。
(4)本发明通过采用长/短纤维增强相以及树脂基体的多材料多维度的复合预浸料丝材作为SiC陶瓷形坯的增强形式，使纤维增强SiC陶瓷复合材料的力学性能得到了进一步的提升。
(5)本发明提出的机器人激光增材制造系统制备与成形长/短纤维增强SiC复合材料，可以在制备长/短纤维增强SiC复合材料的同时，实现复杂纤维增强SiC复合材料构件的成形，从而实现长/短纤维增强SiC复合材料的制备与成形一体化。。
附图说明
图1是本发明机器人激光增材制造增强SiC复合材料的工艺流程图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的改性连续碳纤维及预浸料丝材的制备方法流程图；
图3是本发明机器人激光增材制造系统示意图；
图4是本发明机器人激光增材制造系统工作时的示意图；
图5是本发明构建的空间曲面切片和机器人随形增材示意图；其中，图5中的(a)为块体模型切片示意图，图5中的(b)为方形截面模型空间切片示意图，图5中的(c)为管状零件模型圆形截面空间切片示意图；
图6是本发明制造的树脂基预浸料丝材结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例
图1是本发明增强SiC复合材料制备方法的流程图，包括如下步骤：
(1)将短纤维和树脂采用溶剂蒸发法制备为短纤维树脂复合粉末；
(2)将短纤维树脂复合粉末和长纤维混合后熔融挤出获得树脂基预浸料丝材；
(3)通过机器人激光增材制造系统对树脂基预浸料丝材表面进行加工获得纤维增强陶瓷素坯；
(4)向纤维增强陶瓷素坯中浸渗活性成分获得浸渗坯体；
(5)将浸渗坯体进行热解碳化得到陶瓷预制体；
(6)将陶瓷预制体进行硅反应熔渗，即可获得增强SiC复合材料。
图2是改性连续碳纤维及预浸料丝材的制备方法流程图，采用丙酮溶液对连续碳纤维丝进行纯化处理，并同时对碳纤维进行超声搅拌，去除碳纤维表面的有机物，然后用超纯水清洗干净碳纤维，并将碳纤维通过硝酸溶液，进行表面氧化处理，得到活性基团，利于碳纤维与树脂基体的结合。同时加入超声搅拌，使氧化充分。连续碳纤维表面改性完成后送入超声波悬浮液粉末槽系统中进行树脂粉末的浸渍包覆，然后送入干燥室干燥，并通过熔融室加热加压挤出，挤出后通过冷却系统，使预浸料成型固化，最后通过收卷系统得到连续纤维增强复合材料预浸丝卷。最终制得可用于机器人增材制备高性能碳纤维增强复合材料系统的丝材。
图3是本发明机器人激光增材制造系统示意图。所述机器人激光增材制造系统包括机器手臂、限位器和装载于机器手臂上的送丝装置、激光器、热压辊和剪断装置，所述送丝装置用于驱动树脂基预浸料丝材挤出，所述激光器用于加热融熔树脂基预浸料丝材，所述热压辊用于将融熔状的树脂基预浸料丝材辊压在基板上，所述剪断装置用于剪断丝材，所述限位器用来控制基板的旋转。
图4是本发明机器人激光增材制造系统工作时的示意图。
(3-1)根据陶瓷素坯的设定形状，对设定形状进行模型分析，以承载空间曲面为基底，根据截面形状的不同，在其法矢方向对设定形状随形曲面结构进行逐层曲面切片处理；
(3-2)将切片数据处理并生成机器手臂和限位器的运动轨迹，并实时控制机器手臂和限位器运动，使用送丝装置驱动送出纤维增强预浸料丝材，使用激光器加热融熔树脂基预浸料丝材，然后用热压辊将融熔状的树脂基预浸料丝材辊压在基板上，逐层打印；
(3-3)通过剪断装置剪断丝材，将加工好的纤维增强预浸料丝材与基底进行分离，从而获得纤维增强陶瓷素坯。
本发明采用同步电机驱动碳纤维复合丝材进行送丝，利用激光与复合丝材之间的热作用熔化碳纤维复合丝材表面的基体材料逐道逐层成形零件，采用热压辊提高层间结合力，并采用双程气缸驱动的剪丝装置剪断碳纤维复合丝材完成单层的增材制造。
图5是本发明构建的空间曲面切片和机器人随形增材示意图；其中，图5中的(a)为块体模型切片示意图，图5中的(b)为方形截面模型空间切片示意图，图5中的(c)为管状零件模型圆形截面空间切片示意图；
图6是本发明制造的树脂基预浸料丝材结构示意图。
由图6可知，预浸料包括中心的1k～3k连续纤维束组成的长纤维增强相，树脂基体以及树脂基体中的短纤维增强相。
实施例1
(a)加工如图5中的(a)零件为实心块体，选取连续碳纤维，采用液相氧化法将其进行表面改性处理，得到可用于制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材的长纤维原料，长纤维和短纤维均为碳化硅。
(b)选取聚丙烯腈基短碳纤维粉末作为短纤维增强相原料，并选取聚乳酸(PLA)树脂粉末作为制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材的树脂基体。并采用溶剂蒸发法制备短纤维/树脂复合粉末，过程如下：(1)首先将树脂粉末按照质量比1：1完全溶解于丙酮溶液中；(2)然后将短纤维粉末加入到上述溶液中，通过行星式球磨机将短纤维分散均匀，其中球磨时间1小时，速度200r/min；(3)将上述短纤维浆料在60℃下进行快速蒸馏去除溶剂，在此过程中树脂以短纤维颗粒为核析出在其表面；(4)最后将上述粉末聚集体粉碎并过200目标准筛，即得到制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材所用的短纤维/树脂复合粉末。
(c)使用超声激励悬浮液法制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材，将步骤(a)中制得的连续纤维通过由步骤(b)中制得的短纤维/树脂复合粉末组成的超声悬浮液中，并通过干燥室，熔融室和挤出头制得长/短纤维增强树脂基预浸料丝材。
(d)使用机器人激光增材系统，使用步骤(c)中制得的长/短纤维增强树脂基预浸料丝材作为原料，使用同步电机挤出头驱动送出纤维增强预浸料丝材，并使用激光和加热辊对丝材在空间曲面上进行熔融粘连成型纤维增强陶瓷素坯。
(e)将步骤(d)中制得的纤维增强陶瓷素坯置于质量分数为50％的热固性酚醛树脂和纳米炭黑混合溶液中真空浸渗，然后在80℃下干燥0.5h，得到浸渗坯体。
(f)将步骤(e)中的浸渗坯体使用阶梯固化工艺，在120℃，1h；150℃，1h；180℃，3h下完成固化后继续升温至600℃并保温1h，固化后的酚醛树脂在此温度下发生裂解。随后继续升温至900℃，保温1h，完成碳化，得到包含长/短碳纤维和树脂碳的预制体。
(g)选取液相渗硅与化学气相渗透的复合浸渗方法，对步骤(f)中得到的陶瓷预制体进行反应烧结，得到长/短碳纤维增强SiC复合材料。
实施例2：
(a)成形如图5中的(a)零件为实心块体，选取连续SiC纤维，将其进行液相氧化进行表面改性处理，得到可用于制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材的长纤维原料。
(b)选取短SiC纤维粉末作为短纤维增强相，并选取聚酰胺(PA)树脂粉末作为制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材的树脂基体。制备短纤维/树脂复合粉末采用溶剂蒸发法，同实施例1(b)。
(c)使用超声激励悬浮液法制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材，同实施例1(c)。
(d)使用机器人激光增材系统，使用步骤(c)中制得的长/短纤维增强树脂基预浸料丝材作为原料，在空间曲面上进行熔融粘连成型纤维增强陶瓷素坯，同实施例1(d)。
(e)将步骤(d)中制得的纤维增强陶瓷素坯置于质量分数为50％的热固性酚醛树脂溶液中真空浸渗，然后在80℃下干燥0.5h，得到浸渗坯体。
(f)将步骤(e)中的浸渗坯体使用阶梯固化工艺，得到包含长/短碳纤维和树脂碳的陶瓷预制体，同实施例1(f)。
(g)选取液相渗硅法，对步骤(f)中得到的陶瓷预制体进行反应烧结，得到长/短纤维增强SiC复合材料。
实施例3：
(a)成形如图5中的(a)零件为实心块体，选取连续碳纤维，使用电化学涂覆法将其进行表面改性处理，得到可用于制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材的长纤维原料。
(b)选取短SiC纤维粉末作为短纤维增强相，并选取ABS树脂粉末作为制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材的树脂基体。并采用溶剂蒸发法制备短纤维/树脂复合粉末，同实施例1(b)。
(c)使用超声激励悬浮液法制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材，同实施例1(c)。
(d)使用机器人激光增材系统，使用步骤(c)中制得的长/短纤维增强树脂基预浸料丝材作为原料，在空间曲面上进行熔融粘连成型纤维增强陶瓷素坯，同实施例1(d)。
(e)将步骤(d)中制得的纤维增强陶瓷素坯置于质量分数为50％的聚碳硅烷溶液中真空浸渍，100℃下干燥0.5h后在质量分数为50％的热固性酚醛树脂和纳米炭黑混合溶液中进行真空浸渗，然后在80℃下干燥0.5h，得到浸渗坯体。
(f)将步骤(e)中的浸渗坯体使用阶梯固化工艺，得到包含长/短碳纤维和树脂碳的预制体，同实施例1(f)。
(g)选取先驱体浸渍裂解法，对步骤(f)中得到的陶瓷预制体进行反应烧结，得到长/短纤维增强SiC复合材料。
实施例4：
(a)成形如图5中的(a)零件为实心块体，选取玻璃纤维，使用表面接枝法将其进行表面改性处理，得到可用于制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材的长纤维原料。
(b)选取聚丙烯腈基短碳纤维粉末作为短纤维增强相，并选取热塑性酚醛树脂粉末作为制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材的树脂基体。并采用溶剂蒸发法制备短纤维/树脂复合粉末，同实施例1(b)。
(c)使用超声激励悬浮液法制备长/短纤维增强树脂基预浸料丝材，同实施例1(c)。
(d)使用机器人激光增材系统，使用步骤(c)中制得的长/短纤维增强树脂基预浸料丝材作为原料，在空间曲面上进行熔融粘连成型纤维增强陶瓷素坯，同实施例1(d)。
(e)将步骤(d)中制得的纤维增强陶瓷素坯置于质量分数为50％的热固性酚醛树脂和纳米炭黑混合溶液中真空浸渗，然后在80℃下干燥0.5h，得到浸渗坯体。
(f)将步骤(e)中的浸渗坯体使用阶梯固化工艺，得到包含长/短碳纤维和树脂碳的预制体，同实施例1(f)。
(g)选取液相渗硅法，对步骤(f)中得到的陶瓷预制体进行硅反应熔渗，得到长/短纤维增强SiC复合材料。
实施例5：
本实施例与实施例1不同之处在于，成形零件的材料不同，具体如下所述：
(a)所需成形零件如图5中的(b)中所示的曲面零件，根据其法矢方向可以对结构进行逐层曲面切片处理，由于切片后的层片近似为方形，因层内选取栅格路径规划。
实施例6：
本实施例与实施例1不同之处在于，成形零件的材料不同，具体如下所述：
(a)所需成形零件如图5中的(c)中所示的管状零件，根据其法矢方向可以对结构进行逐层曲面切片处理，由于零件为管状，因层内选取螺旋路径规划。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于机器人激光增材制造的增强SiC复合材料制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将短纤维和树脂采用溶剂蒸发法制备为短纤维树脂复合粉末；
(2)将短纤维树脂复合粉末和长纤维混合后熔融挤出获得树脂基预浸料丝材；
(3)通过机器人激光增材制造系统对树脂基预浸料丝材进行加工获得纤维增强陶瓷素坯；
(4)向纤维增强陶瓷素坯中浸渗活性成分获得浸渗坯体；
(5)将浸渗坯体进行热解碳化得到陶瓷预制体；
(6)将陶瓷预制体进行硅反应熔渗，即可获得增强SiC复合材料；
其中，所述长纤维是指长度为1cm以上的纤维，作为树脂基预浸料丝材的骨架；所述短纤维是指长度为0.1cm以下的纤维，作为树脂基预浸料丝材的增强材料。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，所述机器人激光增材制造系统包括机器手臂、限位器，所述机器手臂上设置有送丝装置、激光器、热压辊和剪断装置，所述送丝装置用于驱动树脂基预浸料丝材挤出，所述激光器用于加热融熔树脂基预浸料丝材，所述热压辊用于将融熔状的树脂基预浸料丝材辊压在基板上，所述剪断装置用于剪断丝材，所述限位器用来控制基板的旋转。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)具体包括：
(3-1)根据陶瓷素坯的设定形状，对设定形状进行模型分析，以承载空间曲面为基底，根据截面形状的不同，在其法矢方向对设定形状随形曲面结构进行逐层曲面切片处理获得切片数据；
(3-2)将切片数据处理并生成机器手臂和限位器的运动轨迹，并实时控制机器手臂和限位器的运动，使用送丝装置驱动送出纤维增强预浸料丝材，使用激光器加热融熔树脂基预浸料丝材，然后用热压辊将融熔状的树脂基预浸料丝材辊压在基板上，逐层打印；
(3-3)通过剪断装置剪断丝材，将加工好的纤维增强预浸料丝材与基底进行分离，从而获得纤维增强陶瓷素坯。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤(3-1)中，根据设定形状的形状特征，选取栅格路径或螺旋路径规划。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述短纤维为碳纤维、SiC纤维和玻璃纤维中的至少一种，所述树脂为聚乳酸、聚酰胺、ABS和热塑性酚醛树脂中至少一种，所述长纤维为碳纤维、SiC纤维和玻璃纤维中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述溶剂蒸发法为将短纤维和树脂溶解后，通过球磨机混合均匀，然后蒸馏去除溶剂使得树脂以短纤维颗粒为核析出在短纤维表面；
优选的，长纤维使用前进行表面改性，所述表面改性的方法包括涂层处理法、等离子体处理法、表面接枝法和表面氧化法中的一种。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中熔融挤出具体为：将短纤维树脂复合粉末溶解后进行超声获得悬浮液，将长纤维通过悬浮液，然后干燥、熔融和挤出成型，即可获得树脂基预浸料丝材。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中活性成分为热固性树脂和纳米炭黑中的至少一种，所述浸渗为将纤维增强陶瓷素坯置于活性成分溶液中真空浸渗，干燥后得到浸渗坯体。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(5)中热解温度范围为800℃-900℃。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中硅反应熔渗包括液相渗硅、气相渗硅、化学气相渗透、先驱体浸渍裂解中的一种或多种的复合工艺。
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|---|---|
| CN (1) | CN114292115A (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114799879A (zh) * | 2022-05-10 | 2022-07-29 | 西安交通大学 | 一种基于金属熔丝增材制造的靶向原位合金化装置及方法 |
| CN114986890A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-09-02 | 深圳云疆智造科技有限公司 | 一种连续纤维3d打印喷头 |
| CN115157484A (zh) * | 2022-06-14 | 2022-10-11 | 途格科技(广东)有限公司 | 一种连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸带激光制备方法和装置 |
| CN116118186A (zh) * | 2023-01-07 | 2023-05-16 | 西北工业大学 | 复合材料增材制造设备 |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08109566A (ja) * | 1994-10-07 | 1996-04-30 | Nitto Boseki Co Ltd | 一方向性補強材用不織布及びその製造方法 |
| CN101048182A (zh) * | 2004-10-28 | 2007-10-03 | 独立行政法人物质·材料研究机构 | 含有磷灰石/胶原复合体纤维的多孔体的制造方法 |
| CN106278335A (zh) * | 2016-08-05 | 2017-01-04 | 西安交通大学 | 一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法 |
| CN106518127A (zh) * | 2015-09-15 | 2017-03-22 | 霍尼韦尔国际公司 | 树脂原位碳化以形成碳‑碳复合材料 |
| CN106738891A (zh) * | 2017-03-01 | 2017-05-31 | 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 | 一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法 |
| US20170173868A1 (en) * | 2013-03-22 | 2017-06-22 | Markforged, Inc. | Continuous and random reinforcement in a 3d printed part |
| CN106927846A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-07-07 | 华中科技大学 | 一种C/C‑SiC复合材料零件的制备方法及其产品 |
| US20170334132A1 (en) * | 2016-05-20 | 2017-11-23 | Petroceramics S.P.A. | Printing method and device, composite material |
| CN109049682A (zh) * | 2018-10-23 | 2018-12-21 | 郝文峰 | 一种纤维增强复合材料3d打印丝材制造装置及方法 |
| CN109159421A (zh) * | 2018-07-28 | 2019-01-08 | 华中科技大学 | 一种聚合物丝材的激光增材制造系统及其方法 |
| US20190255732A1 (en) * | 2018-02-19 | 2019-08-22 | Rolls-Royce Corporation | Additive layer method for application of slurry-based features |
| CN110171976A (zh) * | 2019-05-27 | 2019-08-27 | 华中科技大学 | 基于増材制造的SiC基陶瓷零件的制备方法及产品 |
| CN111761811A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 | 一种纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法 |
-
2021
- 2021-12-31 CN CN202111663002.5A patent/CN114292115A/zh active Pending
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08109566A (ja) * | 1994-10-07 | 1996-04-30 | Nitto Boseki Co Ltd | 一方向性補強材用不織布及びその製造方法 |
| CN101048182A (zh) * | 2004-10-28 | 2007-10-03 | 独立行政法人物质·材料研究机构 | 含有磷灰石/胶原复合体纤维的多孔体的制造方法 |
| US20170173868A1 (en) * | 2013-03-22 | 2017-06-22 | Markforged, Inc. | Continuous and random reinforcement in a 3d printed part |
| CN106518127A (zh) * | 2015-09-15 | 2017-03-22 | 霍尼韦尔国际公司 | 树脂原位碳化以形成碳‑碳复合材料 |
| US20170334132A1 (en) * | 2016-05-20 | 2017-11-23 | Petroceramics S.P.A. | Printing method and device, composite material |
| CN106278335A (zh) * | 2016-08-05 | 2017-01-04 | 西安交通大学 | 一种纤维定向增韧陶瓷基复合材料涡轮叶片的制造方法 |
| CN106738891A (zh) * | 2017-03-01 | 2017-05-31 | 机械科学研究总院先进制造技术研究中心 | 一种层间增强的连续纤维复合材料增材制造方法 |
| CN106927846A (zh) * | 2017-04-13 | 2017-07-07 | 华中科技大学 | 一种C/C‑SiC复合材料零件的制备方法及其产品 |
| US20190255732A1 (en) * | 2018-02-19 | 2019-08-22 | Rolls-Royce Corporation | Additive layer method for application of slurry-based features |
| CN109159421A (zh) * | 2018-07-28 | 2019-01-08 | 华中科技大学 | 一种聚合物丝材的激光增材制造系统及其方法 |
| CN109049682A (zh) * | 2018-10-23 | 2018-12-21 | 郝文峰 | 一种纤维增强复合材料3d打印丝材制造装置及方法 |
| CN110171976A (zh) * | 2019-05-27 | 2019-08-27 | 华中科技大学 | 基于増材制造的SiC基陶瓷零件的制备方法及产品 |
| CN111761811A (zh) * | 2020-06-30 | 2020-10-13 | 北京机科国创轻量化科学研究院有限公司 | 一种纤维增强热塑性树脂基复合材料增材制造方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 刘少岗等: "3D打印先进技术及应用", 机械工业出版社, pages: 161 - 162 * |
| 穆阿姆梅尔·科驰等: "《微制造 微型产品的设计与制造》", 30 April 2017, 国防工业出版社, pages: 90 - 91 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114799879A (zh) * | 2022-05-10 | 2022-07-29 | 西安交通大学 | 一种基于金属熔丝增材制造的靶向原位合金化装置及方法 |
| CN114986890A (zh) * | 2022-05-19 | 2022-09-02 | 深圳云疆智造科技有限公司 | 一种连续纤维3d打印喷头 |
| CN115157484A (zh) * | 2022-06-14 | 2022-10-11 | 途格科技(广东)有限公司 | 一种连续碳纤维增强热塑性复合材料预浸带激光制备方法和装置 |
| CN116118186A (zh) * | 2023-01-07 | 2023-05-16 | 西北工业大学 | 复合材料增材制造设备 |
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