CN114986931B - 高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置和方法，包括用于纤维预处理的预排布装置、用于纤维高精度宏观排布的纤维夹紧及移动装置和用于纤维切断及粉体压实的预压成型装置；预压成型装置包括旋转平台组件；纤维排布模具设置于旋转平台组件的上侧，旋转平台组件能够驱动纤维排布模具旋转；纤维排布模具内设置有顶出件；顶升机构包括竖向驱动组件设置于旋转平台组件的下侧；外轴的一端穿过旋转平台组件，且与顶出件可拆卸连接；内轴的一端与竖向驱动组件连接，其另一端穿过外轴，且与顶出件可转动连接；竖向驱动组件能够驱动内轴发生竖向移动。该装置能配合人工制备纤维排布方式、纤维间距、层数、含量可控的复合材料。

Description

高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置和方法

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体涉及一种高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置和方法。

背景技术

纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer/Plastic，简称FRP)是由纤维材料与基体材料(如树脂等)按照一定的比例混合制备而成，具有机械强度高、耐腐蚀等特点。目前，大多数纤维增强复合材料都是将短切纤维与材料基体复合制备，但是短切纤维在材料基体内易出现纤维团聚现象，这不仅没有达到增强材料力学性能的效果，反而会降低复合材料的各种力学性能。因此，为了改善短切纤维带来的团聚问题，经研究发现，以连续的纤维替换短切纤维制备得到的复合材料，可以实现力学性能可设计的特点。

近年来，连续纤维增强复合材料凭借其优异的性能受到广泛关注，其力学性能与纤维性能及纤维在基体的分布状态密切相关。而且连续纤维在复合材料基体内的分布方式及状态相比于短切纤维更易于控制，且其力学性能更佳，然而目前缺少相应的装置来进行连续纤维增强复合材料的制备。

对于连续纤维增强复合材料的制备，通常使用人工手动排布的方式来制备此类复合材料，但是人工排布的方式易使纤维状态受损，且存在排布精度不够、排布效率低和纤维在基体内状态不可控等缺点。这些缺点都极大地限制了综合力学性能优异的连续纤维增强复合材料的制备和应用。因此，急需提供一种高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置和方法，以解决上述问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置和方法。该装置能配合人工制备纤维排布方式、纤维间距、层数、含量可控的复合材料。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，包括用于纤维预处理的预排布装置、用于纤维高精度宏观排布的纤维夹紧及移动装置和用于纤维切断及粉体压实的预压成型装置；所述预压成型装置包括：

旋转平台组件；

纤维排布模具，设置于所述旋转平台组件的上侧，所述旋转平台组件能够驱动所述纤维排布模具旋转；所述纤维排布模具内设置有顶出件；

顶升机构，用于调节所述顶出件在所述纤维排布模具内的位置；所述顶升机构包括：

竖向驱动组件，设置于所述旋转平台组件的下侧；

外轴，其一端穿过所述旋转平台组件，且与所述顶出件可拆卸连接；

内轴，其一端与所述竖向驱动组件连接，其另一端穿过所述外轴，且与所述顶出件可转动连接；所述竖向驱动组件能够驱动所述内轴发生竖向移动。

进一步，所述旋转平台组件包括：

第一支撑部件；

旋转平台，设置于所述第一支撑部件的一端，所述旋转平台上可转动的设置有转动环；所述纤维排布模具的一端与所述转动环插接配合；

手动调节部件，设置于所述旋转平台的一侧；所述手动调节部件能够驱动所述转动环旋转。

进一步，所述竖向驱动组件包括：

竖向支架；

第一电机，设置于所述竖向支架的端部一侧；

第一丝杠，设置于所述竖向支架的一侧，所述第一电机的输出轴与所述第一丝杠的一端连接，用于驱动所述第一丝杠旋转；

第一丝杠螺母，设置于所述第一丝杠上，且与所述第一丝杠螺纹连接；

顶升部件，其一端与所述第一丝杠螺母连接，且与所述竖向支架的侧壁相接；其另一端与所述内轴的一端可拆卸连接。

进一步，所述预排布装置包括第二支撑部件和预排布模具，所述预排布模具设置于所述第二支撑部件的一端，且与所述第二支撑部件可拆卸连接。

进一步，所述纤维夹紧及移动装置包括：夹紧机构和移动调节机构；

所述夹紧机构包括：

L型连接件，设置于所述移动调节机构上，所述移动调节机构能够驱动所述L型连接件沿X轴方向或Y轴方向移动；

夹紧连接件，其一端与所述L型连接件固定连接，所述夹紧连接件上布设有两个V型夹紧件；

机械爪组件，设置于所述L型连接件上，且位于两个所述V型夹紧件的两侧；

夹紧驱动组件，设置于所述L型连接件上，所述夹紧驱动组件能够驱动所述机械爪组件的两个活动端相互靠近或者远离；且随着所述机械爪组件的两个活动端的相互靠近，两个所述V型夹紧件的开口端的尺寸逐渐减小。

更进一步，所述机械爪组件包括：

机械爪连接件，设置于所述L型连接件上；

两个机械爪爪臂，其一端设置于所述机械爪连接件的两端，且与所述机械爪连接件铰接；其另一端设置于两个所述V型夹紧件的两侧。

更进一步，所述夹紧驱动组件包括：

第二电机，设置于所述L型连接件的一端；

第二丝杠，设置于所述L型连接件的一侧；所述第二电机的一端与所述第二丝杠的一端连接，用于驱动所述第二丝杠旋转；

第二丝杠螺母，设置于所述第二丝杠上，且与所述第二丝杠螺纹连接，所述第二丝杠螺母的一侧与所述L型连接件的侧壁相接；

多根铰接件，其一端均与所述第二丝杠螺母铰接，其另一端均与其对应的机械爪爪臂铰接；随着所述第二丝杠螺母沿所述第二丝杠移动，两个所述机械爪爪臂均相互靠近或者远离，且能够驱动两个所述V型夹紧件的开口端的尺寸逐渐减小。

更进一步，所述移动调节机构包括：

第三支撑部件；

X轴驱动组件，水平设置于所述第三支撑部件的一端；

X轴滑台，可滑动的设置于所述X轴驱动组件上；所述X轴驱动组件能够驱动所述X轴滑台沿X轴方向移动；

Y轴驱动组件，竖直设置于所述X轴滑台上；

Y轴滑台，可滑动的设置于所述Y轴驱动组件上，所述Y轴驱动组件能够驱动所述Y轴滑台沿Y轴方向移动；所述L型连接件设置于所述Y轴滑台上。

进一步，还包括：显微观测装置，用于观测所述纤维排布模具上的纤维排布方式和纤维间距；所述显微观测装置包括：

第四支撑部件；

显微镜，其一端设置于所述第四支撑部件的一端；且朝向所述纤维排布模具；

调焦部件，设置于所述显微镜的另一端，用于调节所述显微镜的焦距。

本发明还提供一种高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的方法，采用上述装置，该方法包括以下步骤：

步骤一、在所述纤维排布模具内填铺一层粉体并压实；

步骤二、将连续纤维依次排布到所述预排布装置上；

步骤三、通过纤维夹紧及移动装置将所述预排布装置上的连续纤维夹紧并切断，然后转移到所述纤维排布模具上，完成一次纤维铺放；

步骤四、当所述纤维排布模具上的连续纤维有序的排布一层后，将纤维夹紧及移动装置移动至初始位置，并重复步骤一～步骤三多次，直至所述纤维排布模具上的纤维排布到预先设计的层数；每重复一次步骤一～步骤三均通过所述旋转平台组件驱动所述纤维排布模具旋转α角度，且0°≦α≦90°；

步骤五、利用固定件将所述纤维排布模具与所述顶出件固定，然后将顶出件与所述外轴分离；

步骤六、向所述纤维排布模具内施加持续压力，制备得到复合材料预制品；

步骤七、将复合材料预制品转移至高温烧结设备内进行烧结，得到连续纤维增强复合材料。

本发明的有益效果：

1、本发明的装置所采用的移动平台和电机都使用PLC可编程控制器驱动，通过程序控制可实现自动化材料的制备，想要制备不同参数的纤维增强复合材料只需更改程序，保证高效、稳定且自动的制备复合材料以降低成本。

2、本发明采用旋转平台旋转配合移动平台可实现不同排布方式连续纤维的排布，得到纤维排布方式、层数、含量可控的连续纤维增强复合材料，与手工排布相比，出现纤维损伤、纤维团聚的现象明显降低，且纤维间距可有1mm缩小至100μm，使单位体积内纤维含量增加从而使复合材料力学性能优异可控。

3、纤维夹具镊子内侧创新性的设计了橡胶内嵌不锈钢刀片的设计，并且通过编程对步进电机的控制电机输出轴的旋转角度可实现夹紧力的大小控制，通过针对不同纤维(如玻璃纤维、碳纤维、三氧化二铝纤维等)的力学性能可调整不同的夹紧力实现纤维的夹紧与切断，在纤维夹紧过程中纤维先接触橡胶，由于橡胶的弹性纤维被紧紧包裹在橡胶内被夹紧，随着夹紧力的增大，内嵌在橡胶内的不锈钢刀片与纤维表面接触把纤维切断为设计好的长度，此时电机停止转动，直至绷直的纤维被移动到纤维铺放模具上，电机反向转动，夹紧力逐渐变小，镊子松开，完成一次纤维铺放，通过这种方式铺放的纤维相比于手工排布使纤维的完整性以及纤维间距的可控性有了很大的提高。

4、顶出机构采用内外轴的结构传动顶出力，内轴和外轴通过角接触轴承相连，在模具的旋转过程中，外轴随着顶出头的旋转而旋转，而内轴只负责顶出或下降时的垂直运动，无需承担旋转工作，减少工作时同一工况下的移动件数量，延长机构寿命，提高工作精度，使复合材料中每一层的粉体含量都可控；

5、纤维预排布模具可快速拆卸，在准备制备复合材料时可提前将多个预排布模具上均与的排布好单丝连续纤维，在制备复合材料过程中一个预排布模具上的纤维被消耗完可快速安装上一个排布好的预排布模具，这样可以提高复合材料的制备效率。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是图1中A部分的局部放大图。

图3是本发明实施例中夹紧驱动组件的结构示意图。

图4是本发明实施例中预压成型装置的结构示意图。

图5是本发明实施例中预压成型装置的剖切示意图。

图中，1、预排布装置；11、第二支撑部件；12、预排布模具；

2、夹紧机构；21、L型连接件；22、夹紧连接件；23、V型夹紧件；24、机械爪组件；241、机械爪连接件；242、机械爪爪臂；25、夹紧驱动组件；251、第二电机；252、第二丝杠；253、第二丝杠螺母；254、铰接件；

3、移动调节机构；31、第三支撑部件；32、X轴驱动组件；33、X轴滑台；34、Y轴驱动组件；35、Y轴滑台；

4、预压成型装置；41、旋转平台组件；411、第一支撑部件；412、旋转平台；413、手动调节部件；42、纤维排布模具；43、顶出件；44、竖向驱动组件；441、竖向支架；442、第一电机；443、第一丝杠；444、第一丝杠螺母；445、顶升部件；45、外轴；46、内轴；

5、显微观测装置；51、第四支撑部件；52、显微镜；53、调焦部件。

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。

基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图5，一种高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，包括用于纤维预处理的预排布装置1、用于纤维高精度宏观排布的纤维夹紧及移动装置、用于纤维切断及粉体压实的预压成型装置4、用于观测纤维排布模具42上的纤维排布方式和纤维间距的显微观测装置5。其中，预排布装置1、纤维夹紧及移动装置、预压成型装置4和显微观测装置5均安装在装置装配板上。

如图4和5，预压成型装置4包括旋转平台组件41、纤维排布模具42和顶升机构。通过顶升机构配合旋转平台组件能够实现纤维的正交排布和复合材料粉末含量的可控调节，可高效完成在不产生纤维团聚现象的情况下尽可能多的纤维含量的复合材料的制备。

旋转平台组件41可用于调节旋转角度，用于制备正交排布纤维增强复合材料。旋转平台组件41包括第一支撑部件411、旋转平台412和手动调节部件413。

第一支撑部件411的一端与装置装配板固定连接，用于支撑和固定旋转平台412。例如，如图4，第一支撑部件411的另一端与L型的旋转平台固定板固定连接，旋转平台固定板用于安装旋转平台412。

旋转平台412设置于第一支撑部件411的一端，旋转平台412上可转动的设置有转动环；纤维排布模具42的一端与转动环插接配合；例如，旋转平台412包括固定座和转动环，固定座固定安装在L型的旋转平台固定板上，固定座上具有中心孔，转动环安装在中心孔内，且与固定座可转动连接。纤维排布模具42的一端插入到转动环内，且与转动环固定，随着转动环的转动，可以调节纤维排布模具42的水平旋转角度。

手动调节部件413设置于旋转平台412的一侧；手动调节部件413能够驱动转动环旋转。例如，在固定座的一侧具有凸出块，凸出块上具有与中心孔连通的凹槽，手动调节部件包括手动旋钮和涡轮杆，涡轮杆可转动的安装在凸出块上，具体的，涡轮杆的螺纹部分位于凹槽内，涡轮杆的两端穿出凸出块，且与手动调节旋钮固定连接。转动环的外壁上设置有一圈外齿轮，外齿轮与涡轮杆上的螺纹部分啮合连接。通过旋转手动调节部件，即可实现对转动环的转动，进而实现对纤维排布模具的水平旋转角度的调节。

本实施例中，旋转平台412旋转配合移动调节机构3可实现不同排布方式连续纤维的排布，得到纤维排布方式、层数、含量可控的连续纤维增强复合材料，与手工排布相比，出现纤维损伤、纤维团聚现象明显降低，且纤维间距可由1mm缩小至100μm，使单位体积内纤维含量增加，从而使复合材料力学性能优异可控。其中，移动调节机构和电机均采用PLC可控编程控制器驱动，通过程序控制可实现自动化材料的制备，可以通过更改程序来制备不同参数的纤维增强复合材料，保证高效、稳定且自动的制备复合材料，以降低成本。

纤维排布模具42设置于旋转平台组件41的上侧，旋转平台组件41能够驱动纤维排布模具42旋转。纤维排布模具42内设置有顶出件43，如图5，顶出件43为内凹型模具，其下表面与角接触轴承接触。在纤维排布模具42靠近旋转平台组件41的一端侧壁上设置有至少一个第二定位孔，顶出件43的侧壁设置有至少一个第一定位孔，将定位销由第二定位孔插入到第一定位孔内，可以实现对纤维排布模具42与顶出件43之间的定位固定。

请再次参阅图5，顶升机构用于调节顶出件43在纤维排布模具42内的位置；顶升机构包括竖向驱动组件44、外轴45、内轴46。

外轴45的一端穿过旋转平台组件41，且与顶出件43可拆卸连接；外轴45的另一端位于旋转平台组件41的底部，其中，外轴45与旋转平台组件41相接，也即旋转平台组件并不影响外轴的旋转和轴向运动。具体的，外轴45的顶端外侧设置有螺纹，且与顶出件43采用螺纹连接，外轴45的顶端内侧与角接触轴承的外圈过渡配合。

内轴46的一端与竖向驱动组件44可拆卸连接，例如，内轴的一端通过螺栓与竖向驱动组件44固定连接。内轴46的另一端穿过外轴45，且与顶出件43可转动连接；内轴46与外轴45采用间隙配合，内轴46的顶部外侧与角接触轴承的内圈卡接，避免内轴46与角接触轴承的内圈之间发生转动，而不影响内轴46在竖直方向的移动。

竖向驱动组件44设置于旋转平台组件41的下侧；竖向驱动组件44能够驱动内轴46发生竖向移动。竖向驱动组件44包括：竖向支架441、第一电机442、第一丝杠443、第一丝杠螺母444、顶升部件445。

竖向支架441设置于第一支撑部件411的底部一侧，且与装置装配板固定连接。竖向支架441用于支撑和定位第一丝杠443。

第一电机442设置于竖向支架441的底部一侧，且通过法兰与竖向支架441固定。

第一丝杠443设置于竖向支架441的一侧，第一电机442的输出轴与第一丝杠443的一端连接，用于驱动第一丝杠443旋转。具体的，第一电机的输出轴通过联轴器与第一丝杠的一端固定，通过第一电机驱动第一丝杠转动。竖向支架441上设置有两个丝杠螺母座，且通过螺栓固定。第一丝杠远离第一电机的一端依次穿过两个丝杠螺母座，且与两个丝杠螺母座可转动连接。

第一丝杠螺母444设置于第一丝杠443上，且与第一丝杠443螺纹连接。第一丝杠螺母与第一丝杠为螺旋转动，随着第一丝杠的旋转，可沿第一丝杠发生轴向运动。

顶升部件445的一端与第一丝杠螺母444连接，且与竖向支架441的侧壁相接；其另一端与内轴46的一端可拆卸连接。例如，顶升部件445包括一级顶出板、二级顶出板和两根一级顶杆，一级顶出板平行设置在二级顶出板的下侧，且一级顶出板与二级顶出板之间通过两根一级顶杆固定。第一丝杠螺母通过螺栓与一级顶出板固定，一级顶出板的一侧与竖向支架441抵接，由此可使丝杠螺母稳定的沿第一丝杠发生轴向运动。一级顶出板的两端固定两根一级顶杆，其中一个丝杠螺母座位于两个一级顶杆之间。内轴46通过螺栓与二级顶出板固定。由此通过第一电机驱动第一丝杠转动，随着第一丝杠的转动带动第一丝杠螺母发生轴向运动，进而通过顶升部件445带动内轴发生竖直方向的移动。

本实施例中，顶升机构采用内外轴的结构传动顶出力，内轴和外轴通过角接触轴承相连，在模具的旋转过程中，外轴随顶出件的旋转而旋转，而内轴只负责顶出或下降时的垂直运动，无需承担旋转工作，减少工作时同一工况下的移动件数量，延长机构寿命，提高工作精度，使复合材料中每一层的粉体含量都可控。

如图1和图2，预排布装置1包括第二支撑部件11和预排布模具12，第二支撑部件11的底部与装置装配板固定连接，用于支撑预排布模具12。预排布模具12设置于第二支撑部件11的一端，且与第二支撑部件11可拆卸连接。例如，第二支撑部件11为支撑柱，支撑柱的底部开设有螺纹孔，螺栓穿过装置装配板且与支撑柱螺纹固定。预排布模具12下侧设有卡合凸台，第二支撑部件11的顶部设有卡合凹槽，通过卡合凸台与卡合凹槽的卡接，用以实现第二支撑部件11和预排布模具12之间的可拆卸连接。

本实施例中，预排布模具12为中间凹陷，并在两端均匀分布间隔为10mm，宽为0.3mm，深为3mm用于定位纤维的凹槽，并且在模具外侧粘有用于固定纤维的胶带。预排布模具12的可快速拆卸，在准备制备复合材料时，可提前将多个预排布模具上均匀的排布好单丝连续纤维，在制备复合材料过程中一个预排布模具上的纤维被消耗完可快速安装上一个排布好的预排布模具，这样可以提高复合材料的制备效率。

请参阅图1至图3，纤维夹紧及移动装置包括夹紧机构2和移动调节机构3。夹紧机构2用于夹紧和切断绷直纤维。移动调节机构3用于控制纤维的移动。其中，夹紧机构2包括L型连接件21、夹紧连接件22、V型夹紧件23、机械爪组件24、夹紧驱动组件25。

L型连接件21设置于移动调节机构3上，移动调节机构3能够驱动L型连接件21沿X轴方向或Y轴方向移动。例如，L型连接件21的一侧壁通过螺栓与移动调节机构3固定。L型连接件21用于定位机械爪组件24和夹紧驱动组件25。本实施例中，L型连接件21上有孔与移动调节机构3上的螺纹孔相连接，L型连接件21上还预留了固定机械爪连接件241的螺纹连接孔，并且L型连接件21上还开设了一个定位槽用于与夹紧连接件22过盈配合连接。同时在L型连接件21上还设计有用于固定第二电机251的定位孔。

夹紧连接件22的一端与L型连接件21固定连接，夹紧连接件22上布设有两个V型夹紧件23；V型夹紧件23主要用于夹紧和切断绷直纤维。例如，夹紧连接件22包括两个相互平行的夹紧板，两个V型夹紧件23的弯折部固定安装在两个夹紧板之间。V型夹紧件23的结构类似镊子，具有弯折部和开口部，开口部具有弹性。V型夹紧件23的开口部的尖端内侧固定设有与其形状匹配的橡胶垫，并在橡胶垫中镶嵌有不锈钢刀片，用于切断纤维。

机械爪组件24设置于L型连接件21上，且位于两个V型夹紧件23的两侧；具体的，机械爪组件24包括机械爪连接件241和两个机械爪爪臂242。

机械爪连接件241设置于L型连接件21上，且通过销轴与L型连接件21固定。机械爪连接件241的两端均连接有机械爪爪臂242，每个机械爪爪臂242均呈L型结构，每个机械爪爪臂242的一端均与机械爪连接件241对应一端铰接；每个机械爪爪臂242的另一端均朝向两个V型夹紧件23的的对应一侧弯折延伸，由此可使两个机械爪爪臂242设置于两个V型夹紧件23的两侧。

夹紧驱动组件25设置于L型连接件21上，夹紧驱动组件25能够驱动机械爪组件24的两个机械爪爪臂242相互靠近或者远离；夹紧驱动组件25用于传动夹紧力。随着机械爪组件24的两个机械爪爪臂242的相互靠近，并压紧在两个V型夹紧件23上，从而使两个V型夹紧件23的开口端的尺寸逐渐减小，实现对纤维的夹紧和切断绷直。

夹紧驱动组件25包括：第二电机251、第二丝杠252、第二丝杠螺母253和多根铰接件254。

第二电机251设置于L型连接件21的顶端侧壁，且与L型连接件21固定。第二丝杠252设置于L型连接件21的一侧；第二电机251的一端通过联轴器与第二丝杠252的一端固定连接，用于驱动第二丝杠252旋转。第二丝杠螺母253设置于第二丝杠252上，且与第二丝杠252螺纹连接，第二丝杠螺母253的一侧与L型连接件21的侧壁相接；具体的，机械爪连接件241水平设置在L型连接件21上，且于L型连接件21固定；机械爪连接件241的中部设置有通槽，第二丝杠252的另一端穿过通槽，且与第二丝杠螺母253连接；第二丝杠螺母253位于机械爪连接件241的下侧。

第二丝杠螺母253的两侧布设有多根铰接件254，每根铰接件254的一端均与第二丝杠螺母253铰接，每根铰接件254的另一端均与其对应的机械爪爪臂242铰接；本实施例中，铰接件254的数量为四个，且对称设置在第二丝杠螺母253的两侧。随着第二丝杠螺母253沿第二丝杠252移动，两个机械爪爪臂242均相互靠近或者远离，从而使步进电机输出轴的转动转化为机械爪爪臂242的水平运动，且能够驱动两个V型夹紧件23的开口端的尺寸逐渐减小。

本实施例中，V型夹紧件23的开口部的尖端内侧设置了橡胶内嵌不锈钢刀片的设计，并通过编程对第二电机进行控制，通过控制第二电机的输出轴的旋转角度可实现夹紧力的大小控制，通过针对不同纤维(如玻璃纤维、碳纤维、三氧化二铝纤维等)的力学性能，可调整不同的夹紧力，实现纤维的夹紧与切断。在纤维夹紧过程中，纤维先接触橡胶，由于橡胶的弹性纤维被紧紧包裹在橡胶内被夹紧。随着夹紧力的增大，内嵌在橡胶内的不锈钢刀片与纤维表面接触把纤维切断为设计好的长度，此时电机停止转动，直至绷直的纤维被移动到纤维排布模具42上。然后第二电机反向转动，夹紧力逐渐变小，V型夹紧件23由于弹性复位而自动松开，完成一次纤维铺放。通过这种方式重复铺放的纤维，相比于手工排布，能够使纤维的完整性以及纤维间距的可控性有了很大的提高。

请参阅图2，移动调节机构3包括第三支撑部件31、X轴驱动组件32、X轴滑台33、Y轴驱动组件34、Y轴滑台35。

第三支撑部件31的一端与装置装配板固定连接，用于支撑和固定X轴驱动组件32。

X轴驱动组件32水平设置于第三支撑部件31的一端，且与第三支撑部件31固定连接。X轴驱动组件32用于对X轴滑台33提供X轴方向的移动。X轴驱动组件主要包括X轴平台、X轴丝杠和X轴电机，X轴平台与第三支撑部件31固定，X轴电机固定设置在X轴平台的一端；X轴丝杠平行设置在X轴平台上，且通过连接件与X轴平台可转动连接，X轴电机的输出轴通过联轴器与X轴丝杠的一端固定，用以驱动X轴丝杠转动。

X轴滑台33可滑动的设置于X轴驱动组件32上；X轴驱动组件32能够驱动X轴滑台33沿X轴方向移动；例如，X轴滑台上可转动的设置有X轴丝杠螺母，X轴丝杠螺母与X轴丝杠螺纹连接，随着X轴丝杠的转动，X轴滑台会沿X轴丝杠滑动。

Y轴驱动组件34竖直设置于X轴滑台33上；Y轴驱动组件与X轴滑动固定连接。具体的，Y轴驱动组件主要包括Y轴平台、Y轴丝杠和Y轴电机，Y轴平台与X轴滑台33固定，Y轴电机固定设置在Y轴平台的一端；Y轴丝杠平行设置在Y轴平台上，且通过连接件与Y轴平台可转动连接，Y轴电机的输出轴通过联轴器与Y轴丝杠的一端固定，用以驱动Y轴丝杠转动。

Y轴滑台35可滑动的设置于Y轴驱动组件34上，Y轴驱动组件34能够驱动Y轴滑台35沿Y轴方向移动；L型连接件21固定设置于Y轴滑台35上。具体的，Y轴滑台上可转动的设置有Y轴丝杠螺母，Y轴丝杠螺母与Y轴丝杠螺纹连接，随着Y轴丝杠的转动，Y轴滑台会沿Y轴丝杠滑动。

请参阅图1，显微观测装置5用于观测纤维排布模具42上的纤维排布方式和纤维间距；显微观测装置5包括：第四支撑部件51、显微镜52和调焦部件53。第四支撑部件51为显微镜支撑板，用于支撑和固定显微镜52。显微镜52的一端固定设置于第四支撑部件51的一端，且朝向纤维排布模具42。例如，显微镜52通过螺栓与第四支撑部件51上的螺栓孔螺纹固定。显微镜52用于观测纤维排布模具42上的纤维排布方式与纤维间距，故显微镜的镜头朝向并对焦在纤维排布模具42上。调焦部件53设置于显微镜52远离纤维排布模具42的一端，用于调节显微镜52的焦距。

请参阅图1，高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的方法，包括以下步骤：

步骤一、将顶出件升至离纤维排布模具42顶端1～2mm处，预先在顶出件的表面垫上一层碳纸以防粘连，再在纤维排布模具42内的底部均匀的填铺一层基体粉体并通过压盖压实。

步骤二、将处理好的纤维束分成单丝并裁剪，使每根连续纤维的长度比预排布模具12上对应的两个凹槽间的距离大2～5mm，以便于固定纤维。然后将清理处理过的连续纤维依次手动排布到预排布模具12上的凹槽上，并在不损伤纤维的前提下尽量使纤维绷直，便于后续操作。

步骤三、将排布好单丝连续纤维的预排布模具12通过下方的凸台放置在第二支撑部件11上。

步骤四、然后通过移动调节机构3调节V型夹紧件23与纤维对齐，并使纤维处于V型夹紧件23的中心，与两端相聚1～3mm。

步骤五、通过纤维夹紧及移动装置上的第二电机使第二丝杠旋转，通过螺旋传动使第二丝杠螺母向上运动，带动两侧的机械爪爪臂向内收缩产生夹紧力，推动V型夹紧件23夹紧，使预排布模具12上的绷直的连续纤维先夹紧后切断。

步骤六、移动调节机构3继续带动夹紧机构2移动，直到使单丝连续纤维移动至离纤维排布模具42上方1～2mm处，再缓慢下移，当纤维刚好触碰到模具表面时，此时纤维的两端被纤维排布模具42上的胶带固定，以粘到模具上，此时第二电机反向转动，带动第二丝杠螺母向下移动，从而使机械爪爪臂松开，完成一次纤维铺放。

步骤七、移动调节机构3移动至初始位置，并重复步骤三～步骤六，直至纤维排布模具42上的连续纤维有序的排布一层。通过对移动调节机构3的编程配合显微镜的观察使每次纤维的铺放间距为100μm。

步骤八、当纤维排布模具42上的连续纤维有序的排布一层后，此时继续撒上一层均匀的粉体，然后用带动侧面刀片的压盖将粉体压实并切断纤维，此时单丝连续纤维便保证间距的固定到了复合材料粉体内。

步骤九、第一电机工作使第一丝杠转动，带动第一丝杠螺母向下运动，从而使顶出件向下运动，继续保持复合材料于纤维排布模具的顶端1～2mm的间距，留出一定空间便于下一层的纤维排布和粉体铺放。

步骤十、若制备正交排布连续纤维增强复合材料，此时将旋转平台412顺时针旋转90°，呈放在其上的纤维排布模具也跟随着进行90°的旋转；若制备平行排布连续纤维增强复合材料则忽略这一步。当然，也可以通过旋转平台组件41驱动纤维排布模具42旋转α角度，且0°≦α≦90°。

步骤十一、重复步骤三～步骤十，期间若预排布模具12上的单丝连续纤维被消耗完，可随时进行补充，直至纤维排布模具42上的纤维排布到预先设计的层数。

步骤十二、利用固定件(例如定位销)从纤维排布模具42的外侧插入顶出件43内，将纤维排布模具42与顶出件43固定，防止顶出件43与铺粉腔体产生相对位移，然后再旋转整个纤维排布模具42，将顶出件43与外轴45分离。

步骤十三、将纤维排布模具42固定到手动压力机上，并向纤维排布模具42内施加2Mpa持续20min的压力，制备得到复合材料预制品。

步骤十四、取出复合材料预制品，完成层内连续纤维增强复合材料预制品制备；将复合材料预制品放置于石墨模具中，并一起转移至热压炉中烧结，得到连续纤维增强复合材料。

本实施例中，该装置设计有V型夹紧件，通过第二电机带动机械爪爪臂夹紧，产生夹紧力，将单丝连续纤维夹紧并切断；采用内外轴顶出装置配合可调控旋转平台，实现纤维的正交排布和复合材料粉末含量的可控，可高效完成在不产生纤维团聚现象的情况下尽可能多的纤维含量的复合材料的制备。

该方法与传统的制备连续纤维增强复合材料方法相比，在制备效率与精度上有较大的提高，相比与手工排布复合材料其纤维间距可由1mm缩短至100μm，使其力学性能可控，且能配合人工制备纤维排布方式、纤维间距、层数、含量可控的复合材料。

下面我们对不同长纤维增强复合材料的具体制备过程进行举例说明。

实施例1

制备层内正交排布连续纤维增强复合材料，层间纤维间距100μm，复合材料大小为50mm×50mm×50mm，其中每一层纤维间距5mm。具体制备方法如下：

步骤一、将顶出件升至离纤维排布模具42顶端1～2mm处，预先在顶出件的表面垫上一层碳纸以防粘连，再在纤维排布模具42内的底部均匀的填铺一层基体粉体并通过压盖压实。

步骤二、将处理好的纤维束分成单丝并裁剪，使每根连续纤维的长度比预排布模具12上对应的两个凹槽间的距离大2～5mm，以便于固定纤维。然后将清理处理过的连续纤维依次手动排布到预排布模具12上的凹槽上，并在不损伤纤维的前提下尽量使纤维绷直，便于后续操作。

步骤三、将排布好单丝连续纤维的预排布模具12通过下方的凸台放置在第二支撑部件11上。

步骤四、然后通过移动调节机构3调节V型夹紧件23与纤维对齐，并使纤维处于V型夹紧件23的中心，与两端相聚1～3mm。

步骤五、通过纤维夹紧及移动装置上的第二电机使第二丝杠旋转，通过螺旋传动使第二丝杠螺母向上运动，带动两侧的机械爪爪臂向内收缩产生夹紧力，推动V型夹紧件23夹紧，使预排布模具12上的绷直的连续纤维先夹紧后切断。

步骤六、移动调节机构3继续带动夹紧机构2移动，直到使单丝连续纤维移动至离纤维排布模具42上方1～2mm处，再缓慢下移，当纤维刚好触碰到模具表面时，此时纤维的两端被纤维排布模具42上的胶带固定，以粘到模具上，此时第二电机反向转动，带动第二丝杠螺母向下移动，从而使机械爪爪臂松开，完成一次纤维铺放。

步骤七、移动调节机构3移动至初始位置，并重复步骤三～步骤六，直至纤维排布模具42上的连续纤维有序的排布一层。通过对移动调节机构3的编程配合显微镜的观察使每次纤维的铺放间距为100μm。

步骤八、当纤维排布模具42上的连续纤维有序的排布一层后，此时继续撒上一层均匀的粉体，然后用带动侧面刀片的压盖将粉体压实并切断纤维，此时单丝连续纤维便保证间距的固定到了复合材料粉体内。

步骤九、第一电机工作使第一丝杠转动，带动第一丝杠螺母向下运动，从而使顶出件向下运动，继续保持复合材料于纤维排布模具的顶端1～2mm的间距，留出一定空间便于下一层的纤维排布和粉体铺放。

步骤十、此时将旋转平台412顺时针旋转90°，呈放在其上的纤维排布模具也跟随着进行90°的旋转。

步骤十一、重复步骤三～步骤十，期间若预排布模具12上的单丝连续纤维被消耗完，可随时进行补充，直至纤维排布模具42上的纤维排布到预先设计的层数。

步骤十二、利用固定件(例如定位销)从纤维排布模具42的外侧插入顶出件43内，将纤维排布模具42与顶出件43固定，防止顶出件43与铺粉腔体产生相对位移，然后再旋转整个纤维排布模具42，将顶出件43与外轴45分离。

步骤十三、将纤维排布模具42固定到手动压力机上，并向纤维排布模具42内施加2Mpa持续20min的压力，制备得到复合材料预制品。

步骤十四、取出复合材料预制品，完成层内连续纤维增强复合材料预制品制备；将复合材料预制品放置于石墨模具中，并一起转移至热压炉中烧结，得到连续纤维增强复合材料。

实施例2

制备层内平行排布连续纤维增强复合材料，层间纤维间距100μm，复合材料大小为50mm×50mm×50mm，其中每一层纤维间距5mm。具体制备方法如下：

步骤一、将顶出件升至离纤维排布模具42顶端1～2mm处，预先在顶出件的表面垫上一层碳纸以防粘连，再在纤维排布模具42内的底部均匀的填铺一层基体粉体并通过压盖压实。

步骤二、将处理好的纤维束分成单丝并裁剪，使每根连续纤维的长度比预排布模具12上对应的两个凹槽间的距离大2～5mm，以便于固定纤维。然后将清理处理过的连续纤维依次手动排布到预排布模具12上的凹槽上，并在不损伤纤维的前提下尽量使纤维绷直，便于后续操作。

步骤三、将排布好单丝连续纤维的预排布模具12通过下方的凸台放置在第二支撑部件11上。

步骤四、然后通过移动调节机构3调节V型夹紧件23与纤维对齐，并使纤维处于V型夹紧件23的中心，与两端相聚1～3mm。

步骤五、通过纤维夹紧及移动装置上的第二电机使第二丝杠旋转，通过螺旋传动使第二丝杠螺母向上运动，带动两侧的机械爪爪臂向内收缩产生夹紧力，推动V型夹紧件23夹紧，使预排布模具12上的绷直的连续纤维先夹紧后切断。

步骤六、移动调节机构3继续带动夹紧机构2移动，直到使单丝连续纤维移动至离纤维排布模具42上方1～2mm处，再缓慢下移，当纤维刚好触碰到模具表面时，此时纤维的两端被纤维排布模具42上的胶带固定，以粘到模具上，此时第二电机反向转动，带动第二丝杠螺母向下移动，从而使机械爪爪臂松开，完成一次纤维铺放。

步骤七、移动调节机构3移动至初始位置，并重复步骤三～步骤六，直至纤维排布模具42上的连续纤维有序的排布一层。通过对移动调节机构3的编程配合显微镜的观察使每次纤维的铺放间距为100μm。

步骤八、当纤维排布模具42上的连续纤维有序的排布一层后，此时继续撒上一层均匀的粉体，然后用带动侧面刀片的压盖将粉体压实并切断纤维，此时单丝连续纤维便保证间距的固定到了复合材料粉体内。

步骤九、第一电机工作使第一丝杠转动，带动第一丝杠螺母向下运动，从而使顶出件向下运动，继续保持复合材料于纤维排布模具的顶端1～2mm的间距，留出一定空间便于下一层的纤维排布和粉体铺放。

步骤十、重复步骤三～步骤九，期间若预排布模具12上的单丝连续纤维被消耗完，可随时进行补充，直至纤维排布模具42上的纤维排布到预先设计的层数。

步骤十一、利用固定件(例如定位销)从纤维排布模具42的外侧插入顶出件43内，将纤维排布模具42与顶出件43固定，防止顶出件43与铺粉腔体产生相对位移，然后再旋转整个纤维排布模具42，将顶出件43与外轴45分离。

步骤十二、将纤维排布模具42固定到手动压力机上，并向纤维排布模具42内施加2Mpa持续20min的压力，制备得到复合材料预制品。

步骤十三、取出复合材料预制品，完成层内连续纤维增强复合材料预制品制备；将复合材料预制品放置于石墨模具中，并一起转移至热压炉中烧结，得到连续纤维增强复合材料。

以上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 (9)

1.一种高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，其特征在于，包括用于纤维预处理的预排布装置（1）、用于纤维高精度宏观排布的纤维夹紧及移动装置和用于纤维切断及粉体压实的预压成型装置（4）；所述预压成型装置（4）包括：

旋转平台组件（41）；

纤维排布模具（42），设置于所述旋转平台组件（41）的上侧，所述旋转平台组件（41）能够驱动所述纤维排布模具（42）旋转；所述纤维排布模具（42）内设置有顶出件（43）；

顶升机构，用于调节所述顶出件（43）在所述纤维排布模具（42）内的位置；所述顶升机构包括：

竖向驱动组件（44），设置于所述旋转平台组件（41）的下侧；

外轴（45），其一端穿过所述旋转平台组件（41），且与所述顶出件（43）可拆卸连接；

内轴（46），其一端与所述竖向驱动组件（44）连接，其另一端穿过所述外轴（45），且与所述顶出件（43）可转动连接；所述竖向驱动组件（44）能够驱动所述内轴（46）发生竖向移动；

所述纤维夹紧及移动装置包括：夹紧机构（2）和移动调节机构（3）；

所述夹紧机构（2）包括：

L型连接件（21），设置于所述移动调节机构（3）上，所述移动调节机构（3）能够驱动所述L型连接件（21）沿X轴方向或Y轴方向移动；

夹紧连接件（22），其一端与所述L型连接件（21）固定连接，所述夹紧连接件（22）上布设有两个V型夹紧件（23）；

机械爪组件（24），设置于所述L型连接件（21）上，且位于两个所述V型夹紧件（23）的两侧；

夹紧驱动组件（25），设置于所述L型连接件（21）上，所述夹紧驱动组件（25）能够驱动所述机械爪组件（24）的两个活动端相互靠近或者远离；且随着所述机械爪组件（24）的两个活动端的相互靠近，两个所述V型夹紧件（23）的开口端的尺寸逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，其特征在于，所述旋转平台组件（41）包括：

第一支撑部件（411）；

旋转平台（412），设置于所述第一支撑部件（411）的一端，所述旋转平台（412）上可转动的设置有转动环；所述纤维排布模具（42）的一端与所述转动环插接配合；

手动调节部件（413），设置于所述旋转平台（412）的一侧；所述手动调节部件（413）能够驱动所述转动环旋转。

3.根据权利要求1所述的高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，其特征在于，所述竖向驱动组件（44）包括：

竖向支架（441）；

第一电机（442），设置于所述竖向支架（441）的端部一侧；

第一丝杠（443），设置于所述竖向支架（441）的一侧，所述第一电机（442）的输出轴与所述第一丝杠（443）的一端连接，用于驱动所述第一丝杠（443）旋转；

第一丝杠螺母（444），设置于所述第一丝杠（443）上，且与所述第一丝杠（443）螺纹连接；

顶升部件（445），其一端与所述第一丝杠螺母（444）连接，且与所述竖向支架（441）的侧壁相接；其另一端与所述内轴（46）的一端可拆卸连接。

4.根据权利要求1所述的高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，其特征在于，所述预排布装置（1）包括第二支撑部件（11）和预排布模具（12），所述预排布模具（12）设置于所述第二支撑部件（11）的一端，且与所述第二支撑部件（11）可拆卸连接。

5.根据权利要求1所述的高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，其特征在于，所述机械爪组件（24）包括：

机械爪连接件（241），设置于所述L型连接件（21）上；

两个机械爪爪臂（242），其一端设置于所述机械爪连接件（241）的两端，且与所述机械爪连接件（241）铰接；其另一端设置于两个所述V型夹紧件（23）的两侧。

6.根据权利要求5所述的高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，其特征在于，所述夹紧驱动组件（25）包括：

第二电机（251），设置于所述L型连接件（21）的一端；

第二丝杠（252），设置于所述L型连接件（21）的一侧；所述第二电机（251）的一端与所述第二丝杠（252）的一端连接，用于驱动所述第二丝杠（252）旋转；

第二丝杠螺母（253），设置于所述第二丝杠（252）上，且与所述第二丝杠（252）螺纹连接，所述第二丝杠螺母（253）的一侧与所述L型连接件（21）的侧壁相接；

多根铰接件（254），其一端均与所述第二丝杠螺母（253）铰接，其另一端均与其对应的机械爪爪臂（242）铰接；随着所述第二丝杠螺母（253）沿所述第二丝杠（252）移动，两个所述机械爪爪臂（242）均相互靠近或者远离，且能够驱动两个所述V型夹紧件（23）的开口端的尺寸逐渐减小。

7.根据权利要求1所述的高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，其特征在于，所述移动调节机构（3）包括：

第三支撑部件（31）；

X轴驱动组件（32），水平设置于所述第三支撑部件（31）的一端；

X轴滑台（33），可滑动的设置于所述X轴驱动组件（32）上；所述X轴驱动组件（32）能够驱动所述X轴滑台（33）沿X轴方向移动；

Y轴驱动组件（34），竖直设置于所述X轴滑台（33）上；

Y轴滑台（35），可滑动的设置于所述Y轴驱动组件（34）上，所述Y轴驱动组件（34）能够驱动所述Y轴滑台（35）沿Y轴方向移动；所述L型连接件（21）设置于所述Y轴滑台（35）上。

8.根据权利要求1所述的高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的装置，其特征在于，还包括：显微观测装置（5），用于微观观测所述纤维排布模具（42）上的纤维排布方式和纤维间距；所述显微观测装置（5）包括：

第四支撑部件（51）；

显微镜（52），其一端设置于所述第四支撑部件（51）的一端；且朝向所述纤维排布模具（42）；

调焦部件（53），设置于所述显微镜（52）的另一端，用于调节所述显微镜（52）的焦距。

9.一种高精度宏微操作制备长纤维增强复合材料的方法，其特征在于，采用权利要求1～8中任意一项所述的装置，该方法包括以下步骤：

步骤一、在所述纤维排布模具（42）内填铺一层粉体并压实；

步骤二、将连续纤维依次排布到所述预排布装置（1）上；

步骤三、通过纤维夹紧及移动装置将所述预排布装置（1）上的连续纤维夹紧并切断，然后转移到所述纤维排布模具（42）上，完成一次纤维铺放；

步骤四、当所述纤维排布模具（42）上的连续纤维有序的排布一层后，将纤维夹紧及移动装置移动至初始位置，并重复步骤一～步骤三多次，直至所述纤维排布模具（42）上的纤维排布到预先设计的层数；每重复一次步骤一～步骤三均通过所述旋转平台组件（41）驱动所述纤维排布模具（42）旋转α角度，且0º≦α≦90º；

步骤五、利用固定件将所述纤维排布模具（42）与所述顶出件（43）固定，然后将顶出件（43）与所述外轴（45）分离；

步骤六、向所述纤维排布模具（42）内施加持续压力，制备得到复合材料预制品；

步骤七、将复合材料预制品转移至高温烧结设备内进行烧结，得到连续纤维增强复合材料。