CN115180963A - 一种陶瓷基复合材料混合器预制体及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种陶瓷基复合材料混合器预制体及其制备方法，其方法包括以下步骤：按照混合器模具的型面特征，将纤维布铺在波谷位置，裁剪，制得第一层的一个波谷结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波谷结构层单元的铺层和裁剪，缝合，制得预制体的第一层纤维布；在第一层纤维布上，将纤维布铺在波峰位置，裁剪，制得第二层的一个波峰结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波峰结构层单元的铺层和裁剪，缝合，制得预制体的第二层纤维布；重复操作，制得陶瓷基复合材料混合器预制体。该方法保证了预制体厚度的均匀性，解决了铺层过程中纤维布随形难等问题，该预制体贴模率为90‑97％，预制体厚度差异小于0.15mm。
Description
技术领域
本发明涉及混合器预制体制备技术领域，具体涉及一种陶瓷基复合材料混合器预制体及其制备方法。
背景技术
混合器是一种在发动机内外涵气流之间的较为复杂的三维结构环形筒体构件，其结构一般具有多波瓣的复杂曲面特征，随着高性能发动机技术的发展，发动机总体设计对混合器构件的重量、使用温度和结构刚度等提出了更高的需求。目前，混合器所采用的铁基、镍基或钛基合金材料已经难以满足先进发动机安全可靠工作所必需的结构减重和降噪需求，陶瓷基复合材料作为一种具有低密度、耐高温、抗氧化、耐腐蚀、高韧性和高刚度等各种材料优点的热结构功能一体化材料，被国际公认为是发展先进发动机高温部件最具潜力的材料之一，其综合性能指标能够很好地满足高性能混合器构件的使用要求。
采用陶瓷基复合材料制备混合器构件时，第一个工艺流程就是预制体的制备，而制备纤维预制体的第一步是二维纤维布的铺层、定型，以波瓣式混合器为例，构件沿轴线呈轴对称式结构，前部为圆柱形结构，尾部为花瓣形结构，中间段为圆柱形结构向花瓣形结构的型面过渡段，而在用二维纤维布对构件的型面过渡段，尤其是尾部花瓣形结构进行铺层时，就会出现纤维布铺层难、裁口预置难、随形难和无法保证预制体厚度均匀性等问题，从而影响后续预制体的定型、致密化，以及构件的结构可靠性和使用寿命。因此，需要解决陶瓷基复合材料混合器预制体的二维铺层问题，保证混合器构件的工艺可达性和结构可靠性。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种陶瓷基复合材料混合器预制体及其制备方法，以解决现有技术在制备波瓣式混合器预制体时，纤维布铺层难、裁口预置难、随形难和无法保证预制体厚度均匀性的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：提供一种陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法，包括以下步骤：
(1)按照混合器模具的型面特征，将纤维布铺在波谷位置，沿相邻两侧波峰子午线进行裁剪，制得第一层的一个波谷结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波谷结构层单元的铺层和裁剪，缝合，制得预制体的第一层纤维布；
(2)按照混合器模具的型面特征，在步骤(1)制得的第一层纤维布上，将纤维布铺在波峰位置，沿相邻两侧波谷子午线进行裁剪，制得第二层的一个波峰结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波峰结构层单元的铺层和裁剪，缝合，制得预制体的第二层纤维布；
(3)重复步骤(1)-(2)，直至达到所需预制体厚度，沿厚度方向缝合，制得陶瓷基复合材料混合器预制体。
本发明的有益效果为：本发明提出了波瓣结构层单元的概念，将每层纤维布按不同的方式分解为相应数量的波瓣结构层单元，也就是波谷结构层单元和波峰结构层单元，这样就可以避免采用整片纤维布进行铺层时所产生的纤维布随形难、裁口多以及连续纤维较少等问题；同时，采用单层式交错铺层方法，即沿径向相邻两层纤维布交错式排布裁口的方法，如第一层纤维布的预置裁口在混合器尾部的波峰位置，那么第二层纤维布的预置裁口则在波谷位置，依次交替铺层，这样可以有效解决预制体厚度的均匀性，进而对预制体在后续致密化过程中致密均匀性有很大提升。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步，步骤(1)和步骤(2)进行的顺序可以互换。
进一步，步骤(2)进行前将步骤(1)重复1-4次，制得预制体的多层纤维布；步骤(3)进行前将步骤(2)重复1-4次，制得预制体的多层纤维布。
采用上述进一步技术方案的有益效果为：采用多层式交错铺层方法，当重复1次时，如第一层纤维布和第二层纤维布的预置裁口均在混合器尾部的波峰位置，那么第三层纤维布和四层纤维布的预置裁口则均在波谷位置，依次交替铺层，如此也能解决纤维布铺层难、裁口预置难、随形难和无法保证预制体厚度均匀性的问题。
进一步，步骤(1)-(2)中纤维布为二维纤维布。
进一步，二维纤维布为二维碳化硅纤维布、二维碳纤维布和氧化物纤维布中至少一种。
进一步，步骤(1)-(3)中采用碳纤维束或碳化硅纤维束为缝合线进行缝合。
进一步，步骤(1)中将相邻的波谷结构层单元沿波峰子午线进行缝合。
进一步，步骤(2)中将相邻的波峰结构层单元沿波谷子午线进行缝合。
进一步，步骤(3)中厚度为设计厚度的1.05-1.1倍。
本发明还提供上述陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法制得的陶瓷基复合材料混合器预制体。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明的方法不仅有利于保证预制体厚度的均匀性，还很好地解决了制备具有复杂曲面构件过程中纤维布随形难和裁口较多的问题，在保证纤维预制体的型面精度的同时，大大降低了后期定型模具合模的操作难度。
2、本发明的单层式交错铺层方法和多层式交错铺层方法简单、易操作，容易推广。
3、采用涂粉法对本发明制备的混合器预制体进行测试，其贴模率为90-97％，预制体不同部位的厚度差异小于0.15mm，可完全解决纤维预制体厚度不均匀的问题。
附图说明
图1为实施例1第一层纤维布铺层方法示意图；
图2为实施例1第二层纤维布铺层方法示意图；
图3为实施例1第三层纤维布铺层方法示意图；
图4为实施例1第四层纤维布铺层方法示意图；
图5为实施例1制得的陶瓷基复合材料混合器预制体示意图；
图6为实施例2不进行步骤(5)时制得的陶瓷基复合材料混合器预制体示意图；
图7为图6局部放大图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
实施例1：
一种陶瓷基复合材料混合器预制体，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照混合器模具的型面特征，将二维碳化硅纤维布铺在波谷位置，沿相邻两侧波峰子午线进行裁剪，制得第一层的一个波谷结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波谷结构层单元的铺层和裁剪，然后采用碳纤维束，将相邻的波谷结构层单元沿波峰子午线进行缝合，制得预制体的第一层纤维布；
(2)按照混合器模具的型面特征，在步骤(1)制得的第一层纤维布上，将二维碳化硅纤维布铺在波峰位置，沿相邻两侧波谷子午线进行裁剪，制得第二层的一个波峰结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波峰结构层单元的铺层和裁剪，然后采用碳纤维束，将相邻的波峰结构层单元沿波谷子午线进行缝合，制得预制体的第二层纤维布；
(3)重复步骤(1)-(2)，制得第三层纤维布和第四层纤维布，整体厚度为设计厚度的1.07倍，采用碳纤维束沿厚度方向对所有纤维布缝合，制得陶瓷基复合材料混合器预制体。
实施例2：
一种陶瓷基复合材料混合器预制体，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照混合器模具的型面特征，将二维碳纤维布铺在波谷位置，沿相邻两侧波峰子午线进行裁剪，制得第一层的一个波谷结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波谷结构层单元的铺层和裁剪，然后采用碳纤维束，将相邻的波谷结构层单元沿波峰子午线进行缝合，制得预制体的第一层纤维布；
(2)将步骤(1)重复1次，制得预制体的第二层纤维布；
(3)按照混合器模具的型面特征，在步骤(2)制得的第二层纤维布上，将二维碳纤维布铺在波峰位置，沿相邻两侧波谷子午线进行裁剪，制得第二层的一个波峰结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波峰结构层单元的铺层和裁剪，然后采用碳纤维束，将相邻的波峰结构层单元沿波谷子午线进行缝合，制得预制体的第三层纤维布；
(4)将步骤(3)重复1次，制得预制体的第四层纤维布；
(5)重复步骤(1)-(4)，直至达到所需预制体厚度，厚度为设计厚度的1.05倍，采用碳纤维束沿厚度方向对所有纤维布缝合，制得陶瓷基复合材料混合器预制体。
实施例3：
一种陶瓷基复合材料混合器预制体，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照混合器模具的型面特征，将氧化物纤维布铺在波谷位置，沿相邻两侧波峰子午线进行裁剪，制得第一层的一个波谷结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波谷结构层单元的铺层和裁剪，然后采用碳化硅纤维束，将相邻的波谷结构层单元沿波峰子午线进行缝合，制得预制体的第一层纤维布；
(2)按照混合器模具的型面特征，在步骤(1)制得的第一层纤维布上，将氧化物纤维布铺在波峰位置，沿相邻两侧波谷子午线进行裁剪，制得第二层的一个波峰结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波峰结构层单元的铺层和裁剪，然后采用碳化硅纤维束，将相邻的波峰结构层单元沿波谷子午线进行缝合，制得预制体的第二层纤维布；
(3)重复步骤(1)-(2)，直至达到所需预制体厚度，厚度为设计厚度的1.1倍，采用碳化硅纤维束沿厚度方向对所有纤维布缝合，制得陶瓷基复合材料混合器预制体。
实施例4：
一种陶瓷基复合材料混合器预制体，其制备方法包括以下步骤：
(1)按照混合器模具的型面特征，将二维碳化硅纤维布铺在波峰位置，沿相邻两侧波谷子午线进行裁剪，制得第一层的一个波峰结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波峰结构层单元的铺层和裁剪，然后采用碳纤维束，将相邻的波峰结构层单元沿波谷子午线进行缝合，制得预制体的第一层纤维布；
(2)按照混合器模具的型面特征，在步骤(1)制得的第一层纤维布上，将二维碳化硅纤维布铺在波谷位置，沿相邻两侧波峰子午线进行裁剪，制得第二层的一个波谷结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波谷结构层单元的铺层和裁剪，然后采用碳纤维束，将相邻的波谷结构层单元沿波峰子午线进行缝合，制得预制体的第二层纤维布；
(3)重复步骤(1)-(2)，制得第三层纤维布和第四层纤维布，整体厚度为设计厚度的1.07倍，采用碳纤维束沿厚度方向对所有纤维布缝合，制得陶瓷基复合材料混合器预制体。
试验例
实施例1-4制得陶瓷基复合材料混合器预制体表征及性能参数基本一致，下面以实施例1制得的陶瓷基复合材料混合器预制体为例，进行如下检测。
一、将实施例1制得的陶瓷基复合材料混合器预制体采用涂粉法进行贴模率测试，具体测试方法为：将荧光粉涂抹在定型模具的内型面，再将构件预制体放置在模具内进行合模、开模，通过观察、计量预制体表面荧光粉的附着面积，然后用荧光粉的附着面积除以预制体表面积，即为贴膜率。测得其贴模率为97％；
将实施例1制得的陶瓷基复合材料混合器预制体通过工业CT切片进行内部缺陷和厚度均匀性检测，结果发现本发明制备的混合器预制体无内部缺陷，同时预制体不同部位的厚度差异小于0.15mm。
因此本发明方法可完全解决波瓣式混合器纤维预制体厚度不均匀的问题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)按照混合器模具的型面特征，将纤维布铺在波谷位置，沿相邻两侧波峰子午线进行裁剪，制得第一层的一个波谷结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波谷结构层单元的铺层和裁剪，缝合，制得预制体的第一层纤维布；
(2)按照混合器模具的型面特征，在步骤(1)制得的第一层纤维布上，将纤维布铺在波峰位置，沿相邻两侧波谷子午线进行裁剪，制得第二层的一个波峰结构层单元，重复铺层和裁剪，完成周向所有波峰结构层单元的铺层和裁剪，缝合，制得预制体的第二层纤维布；
(3)重复步骤(1)-(2)，直至达到所需预制体厚度，沿厚度方向缝合，制得陶瓷基复合材料混合器预制体。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)进行前将步骤(1)重复1-4次，制得预制体的多层纤维布；步骤(3)进行前将步骤(2)重复1-4次，制得预制体的多层纤维布。
3.根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法，其特征在于，步骤(1)-(2)中所述纤维布为二维纤维布。
4.根据权利要求3所述的陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法，其特征在于，所述二维纤维布为二维碳化硅纤维布、二维碳纤维布和氧化物纤维布中至少一种。
5.根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法，其特征在于，步骤(1)-(3)中采用碳纤维束或碳化硅纤维束为缝合线进行缝合。
6.根据权利要求1或2所述的陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法，其特征在于，步骤(1)中将相邻的波谷结构层单元沿波峰子午线进行缝合。
7.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法，其特征在于，步骤(2)中将相邻的波峰结构层单元沿波谷子午线进行缝合。
8.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法，其特征在于，步骤(3)中厚度为设计厚度的1.05-1.1倍。
9.根据权利要求1-8任一项所述的陶瓷基复合材料混合器预制体的制备方法制得的陶瓷基复合材料混合器预制体。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: No. 912, West Section of Biyuan 1st Road, High-tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province 710061 Applicant after: Xi'an Xinyao Ceramic Composite Co.,Ltd. Address before: No. 912, West Section of Biyuan 1st Road, High-tech Zone, Xi'an City, Shaanxi Province 710061 Applicant before: XI'AN GOLDEN MOUNTAIN CERAMIC COMPOSITES CO.,LTD. |
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| CB02 | Change of applicant information |