CN115570817A - 纤维增强复合芯的制造设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合芯技术领域，尤其涉及一种纤维增强复合芯的制造设备，包括依次布置的纱架、三维预制体成型装置、预处理装置、定型装置和牵引机，纱架上放置若干纤维束；三维预制体成型装置将若干纤维束进行规律性交替互锁构成三维预制体，三维预制体为三维立体织物，形成有相互交织成一体的内部结构和外轮廓，为不分层的整体结构；预处理装置对三维预制体进行预处理；定型装置对三维预制体进行树脂浸润和拉挤成型，形成纤维增强复合芯；牵引机提供由纱架向牵引机牵引的牵引力，牵引力同时牵引纤维束、三维预制体和纤维增强复合芯。将三维预制体与拉挤成型工艺结合，充分发挥了拉挤成型工艺的连续性、低成本特点和三维预制体综合性能优异特点。

Description

纤维增强复合芯的制造设备

技术领域

本发明涉及复合芯技术领域，尤其涉及一种纤维增强复合芯的制造设备。

背景技术

高性能纤维凭借其优秀的机械性能，与树脂结合制备成复合芯替代钢绞芯作为承力结构，被广泛应用于输电线缆中。其中以具有重量轻、高耐腐蚀性、非磁性、高热传导率、极低热膨胀系数、高拉伸强度及高拉伸弹性等特征的碳纤维为主要应用。

常规的复合芯通过将高性能纤维沿轴向集束排列(或增加缠绕与管套编织工艺)并浸润树脂后拉挤得到具有一定截面形状的复合芯。

其中，使用单向纤维拉挤工艺制备的纤维增强复合芯，各纤维单丝仅沿轴向平行排列，其轴向拉伸强度表现优秀，但其周向无纤维增强，平行的纤维单丝间仅靠树脂黏合，因此所得复合芯的径向抗压缩、轴向抗弯曲能力不足。特别是当复合芯径向受压时，易沿直径方向劈裂，并在频繁外力作用下，裂纹会迅速沿纤维单丝与树脂胶黏较差的界面扩散并导致复合芯失效。

使用单向纤维拉挤工艺制备的部分做轴芯，在轴芯外侧沿圆周方向增加纤维缠绕工艺，制备得到的具有表面螺旋结构的纤维增强复合芯，其缠绕的纤维将轴芯纤维捆绑扎紧，约束了轴芯纤维的移动，提高了径向抗压缩性能和轴向抗弯曲性能，但缠绕的纤维仅为沿某一圆周方向的螺旋堆叠，纤维螺旋环之间接触面较小，仅通过树脂黏合固定，所得复合芯的抗扭转、耐疲劳性能仍表现不佳。

使用单向纤维拉挤工艺制备的部分做轴芯，在轴芯外侧沿圆周方向增加纤维管状编织工艺，制备得到的具有编织管套面层的纤维增强复合芯，其编织的纤维在轴芯纤维外形成一层管套，各编织成管的纤维束与轴线成一定夹角进行规律的交叉互锁，此结构在增强复合芯径向抗压缩性和环向刚度的同时，还提高了其抗扭转性能和部分轴向拉伸性能，属于缠绕工艺的升级。

缠绕和编织工艺在不同程度上提高了单向纤维拉挤复合芯的一部分周向性能，但二者与单向纤维拉挤工艺组合后，均形成了“皮芯结构”，缠绕层与编织层均为表皮层，单向纤维拉挤部分为轴芯。在此类构件生产中，当缠绕或编织的速率与拉挤速率匹配异常时易形成分层，严重影响产品性能。此外，表皮层无法对轴芯内部的裂纹扩散进行有效的控制，一旦轴芯受损，复合芯仍有快速失效的趋势。因此具有“皮芯结构”的复合芯的耐疲劳、抗冲击等性能表现不佳。而综合力学性能的不佳表现限制了复合芯的应用，难以满足更加苛刻的使用要求。

发明内容

鉴于现有技术的上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种纤维增强复合芯的制造设备，能够获得综合力学性能优异的纤维增强复合芯。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种纤维增强复合芯的制造设备，包括依次布置的纱架、三维预制体成型装置、预处理装置、定型装置和牵引机，纱架上放置若干纤维束；三维预制体成型装置将若干纤维束进行规律性交替互锁构成三维预制体，三维预制体为三维立体织物，三维预制体形成有相互交织成一体的内部结构和外轮廓，三维预制体为不分层的整体结构；预处理装置对三维预制体进行预处理；定型装置对预处理后的三维预制体进行树脂浸润和拉挤成型，形成纤维增强复合芯；牵引机提供由纱架向牵引机牵引的牵引力，牵引力同时牵引纤维束、三维预制体和纤维增强复合芯。

优选地，三维预制体成型装置包括三维纺织机。

优选地，预处理装置包括沿牵引力的牵引方向依次布置的预成型装置、预热装置和压缩装置，预成型装置对三维预制体成型装置制备的三维预制体进行一次压缩，预热装置对一次压缩后的三维预制体进行预加热，压缩装置对预加热后的三维预制体进行二次压缩。

优选地，预成型装置对三维预制体进行一次压缩的压缩方向与压缩装置对三维预制体进行二次压缩的压缩方向相互垂直。

优选地，预成型装置包括两个沿一次压缩的压缩方向可分开或接合地相对设置的预成型开合部，相接合的两个预成型开合部之间形成沿牵引力的牵引方向贯通的预成型腔，预成型腔包括直径小于三维预制体的外轮廓直径的预成型平直段和从预成型平直段的两端延伸出的直径逐渐增大的预成型喇叭口段。

优选地，预成型腔的腔壁设有镀层。

优选地，压缩装置包括两个沿二次压缩的压缩方向可分开或接合地相对设置的压缩开合部，相接合的两个压缩开合部之间形成沿牵引力的牵引方向贯通的压缩腔，压缩腔包括直径不大于一次压缩后的三维预制体的外轮廓直径的压缩平直段和从压缩平直段的两端延伸出的直径逐渐增大的压缩喇叭口段。

优选地，两个压缩开合部上分别设有一个第一树脂注射口，两个第一树脂注射口分别位于压缩平直段的两端部并沿二次压缩的压缩方向呈对位布置，两个第一树脂注射口用于向压缩腔内压力注射树脂。

优选地，定型装置包括定型摸具，定型模具内部形成有沿牵引力的牵引方向贯通的定型腔，定型摸具上设有与定型腔相连通的第二树脂注射口和对定型腔内部进行加热的高温固化区，第二树脂注射口用于向定型腔内压力注射树脂，高温固化区位于第二树脂注射口靠近牵引机的一侧。

优选地，在定型装置与牵引机之间设有用于收集纤维增强复合芯的收集系统。

与现有技术相比，本发明具有显著的进步：

本发明的纤维增强复合芯的制造设备将三维预制体成型与复合芯拉挤成型工艺相结合，充分发挥了复合芯拉挤成型工艺的连续性、低成本、高效率、高质量控制的特点和三维预制体可有效提高层间抗剪切、抗冲击、耐疲劳等综合性能以及可一体化净尺寸成型的特点。三维预制体为由纤维束构成完整、不分层、没有皮芯结构形态的整体结构，可一体化净尺寸成型，具有多轴向纤维增强的分布特点，使得纤维增强复合芯具有更突出的抗拉、抗压、抗弯和抗扭等综合性能，同时兼备动态疲劳和抗冲击性能，综合力学性能优异，并且具有一体化结构成型度高、可仿形设计能力突出、多轴向性能可设计性强、坚固强韧且质轻的优势。

附图说明

图1是本发明实施例的纤维增强复合芯的制造设备的结构示意图。

图2是本发明实施例的纤维增强复合芯的制造设备制备获得的纤维增强复合芯的结构示意图。

图3是图2示出的纤维增强复合芯中，三维预制体的局部结构示意图。

图4是图2示出的纤维增强复合芯中，三维预制体的侧面结构示意图。

图5是本发明实施例的纤维增强复合芯的制造设备中，三维纺织机的结构示意图。

图6是本发明实施例的纤维增强复合芯的制造设备中，纤维束预成型集束装置的结构示意图。

图7是图2示出的纤维增强复合芯中，三维预制体的截面结构示意图。

图8是图2示出的纤维增强复合芯的截面结构示意图。

图9是本发明实施例的纤维增强复合芯的制造设备中，预成型装置的结构示意图。

图10是本发明实施例的纤维增强复合芯的制造设备中，压缩装置的结构示意图。

图11是本发明实施例的纤维增强复合芯的制造设备中，定型模具的结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

100 三维预制体

101 经纱

102、102a 纬纱

200 树脂

201 树脂面层

202 树脂填充层

300 三维纺织机

301 钢筘

302 布纱区域

400 纤维束预成型集束装置

1 纱架

2 三维预制体成型装置

3 预成型装置

31 预成型开合部

32 预成型腔

32a 预成型平直段

32b 预成型喇叭口段

4 预热装置

5 压缩装置

51 压缩开合部

52 压缩腔

52a 压缩平直段

52b 压缩喇叭口段

53 第一树脂注射口

6 定型装置

61 定型模具

62 定型腔

63 第二树脂注射口

64 混合头

7 牵引机

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

现有技术中，为弥补单向纤维拉挤复合芯周向性能的不足，采用如缠绕和编织的工艺通过层层加叠的方式在使用单向纤维拉挤工艺制备的轴芯的外周侧增加缠绕层/编织层来弥补，若增加一层仍达不到要求，则会考虑增加多层。但无论增加层数多少，最终形成的都是皮芯结构，无法避免复合芯破坏时皮与芯界面分离，且皮层难以有效抑制芯层内的裂纹损伤扩散而导致复合芯快速失效，综合力学性能不佳。

为克服皮芯结构的缺陷，本发明提出一种具有整体结构的纤维增强复合芯，该纤维增强复合芯中的纤维构成一个完整、不分层、没有皮芯结构形态的整体结构，具有这种整体结构的纤维增强复合芯的抗拉、抗压、抗弯和抗扭等综合性能将更为突出，并能兼备动态疲劳和抗冲击性能，因此具有更加优异的综合力学性能。

在复合芯之外的其它复合材料中，已有研究采用具有整体结构的三维预制体作为复合材料增强体，但这些复合材料的工艺方式均为分段式制备，即一个模具一次制备一定数量产品，然后多批次重复制备，制造成本高、生产效率低。而复合芯的拉挤成型是复合材料领域为数不多的可连续化制备、产品的拉挤方向力学性能突出并且质量一致性极高的工艺方式，十分切合产业化的低成本高质量的需求。然而现有研究中，复合芯拉挤成型工艺研究者过于关注复合芯某单一方向性能的提升，其它复合材料工艺方向研究者则过于关注三维预制体的分段分批制备方式的制造成本、生产效率的优化，又因现有复合芯以缠绕和编织工艺形成缠绕层和编织层作为增强体的方式，其成型机理较为简单，结构并不复杂，对设备控制、制造质量控制、特别是树脂浸润程度的控制相对三维预制体来说更容易，因此现有技术对复合芯的研究仍专注于皮芯结构性能提升，而不考虑将三维预制体用于复合芯制备中来替代皮芯结构以提高复合芯的综合力学性能，这是复合芯制备所属技术领域存在的技术偏见。

本发明克服了上述技术偏见，将三维预制体成型与复合芯拉挤成型工艺相结合，获得具有整体结构的纤维增强复合芯。三维预制体具有可设计性强、综合性能较突出(特别是在抗分层、抗冲击、抗疲劳等方面)、附加值高、制造成本较大(主要是因分段制造时浪费较大)等特点，而复合芯拉挤成型工艺连续化制备则精准抵消掉了三维预制体的制造成本较大的问题。由此能够获得综合力学性能更加优异的复合芯，并且，由于将三维预制体的成型结合于复合芯拉挤成型工艺中形成连续化制备工艺，使得制造成本和生产效率均能得到有效合理控制，充分发挥了复合芯拉挤成型工艺的连续性、低成本、高效率、高质量控制的特点和三维预制体可有效提高层间抗剪切、抗冲击、耐疲劳等综合性能以及可一体化净尺寸成型的特点。

进一步，现有的复合芯树脂浸润方式多为开槽树脂浴，树脂浸润程度受树脂流动性和浸润时间影响较大，将三维预制体成型与复合芯拉挤成型工艺相结合时，若采用开槽树脂浴，由于三维预制体内部结构形式复杂，树脂较难靠自身流动性浸润到三维预制体内部，浸润不透彻的三维预制体内部会产生大量气孔，严重影响复合芯性能。为解决三维预制体内树脂浸润程度的问题，本发明提出在复合芯拉挤成型工艺中应用树脂注射浸润三维预制体。树脂注射浸润技术源于塑料挤出技术领域，通过单独机器将液态树脂加压注射到含有纤维的目标尺寸模具空腔中，利用高压、一定空腔结构、注射口位置、良好的密封性等条件实现高质量树脂浸润，后被广泛应用于分段分批制备复合材料领域，因注射系统实现条件对密封、压力、注射量等要求较高，因此在连续复合芯拉挤成型工艺技术领域未有应用。本发明为解决常规开槽树脂浴难以将三维预制体浸润透彻的问题，将树脂注射浸润工艺与复合芯拉挤成型工艺相结合，由此形成了三维预制体成型-树脂注射浸润-拉挤成型连续化制备具有整体结构的纤维增强复合芯的工艺体系。

基于此，本发明提供一种纤维增强复合芯的制造设备，用于制备具有整体结构的纤维增强复合芯。

如图1至图11所示，为本发明提供的纤维增强复合芯的制造设备的一种实施例。

参见图1和图2，本实施例的纤维增强复合芯的制造设备包括依次布置的纱架1、三维预制体成型装置2、预处理装置、定型装置6和牵引机7。纱架1上放置若干纤维束。三维预制体成型装置2将若干纤维束进行规律性交替互锁构成三维预制体100，三维预制体100为三维立体织物，三维预制体100形成有相互交织成一体的内部结构和外轮廓，三维预制体100为不分层的整体结构。预处理装置对三维预制体100进行预处理。定型装置6对预处理后的三维预制体100进行树脂200浸润和拉挤成型，形成纤维增强复合芯。牵引机7提供由纱架1向牵引机7牵引的牵引力，牵引力同时牵引纤维束、三维预制体100和纤维增强复合芯。

本实施例的纤维增强复合芯的制造设备将三维预制体100成型与复合芯拉挤成型工艺相结合，充分发挥了复合芯拉挤成型工艺的连续性、低成本、高效率、高质量控制的特点和三维预制体100可有效提高层间抗剪切、抗冲击、耐疲劳等综合性能以及可一体化净尺寸成型的特点。三维预制体100为由纤维束构成完整、不分层、没有皮芯结构形态的整体结构，可一体化净尺寸成型，具有多轴向纤维增强的分布特点，使得纤维增强复合芯具有更突出的抗拉、抗压、抗弯和抗扭等综合性能，同时兼备动态疲劳和抗冲击性能，综合力学性能优异，并且具有一体化结构成型度高、可仿形设计能力突出、多轴向性能可设计性强、坚固强韧且质轻的优势。

本实施例中，优选地，经三维预制体成型装置2制备成型的三维预制体100的外轮廓上布置有沿周向分布的连续纤维束。这些连续纤维束形成为三维预制体100的外轮廓的一部分，对三维预制体100的内部结构起到约束作用，并与三维预制体100的内部结构相互交织为一体，不形成皮芯结构。

本实施例中，三维预制体成型装置2以三维机织工艺制备三维预制体100，三维预制体成型装置2包括三维纺织机。制备时，以纤维束作为纱线，通过纱线开口配置、纱线规格配置、纬纱连续织造等技术结合，可实现三维预制体100的一体化净尺寸成型，使得到的三维预制体100具备目标复合芯基本净尺寸轮廓。需要说明的是，三维机织工艺为现有成熟工艺，但用于本实施例的纤维增强复合芯的制造设备中制备三维预制体100时，为便于对三维预制体100进行树脂浸润和拉挤成型，可以对采用的三维机织工艺和三维纺织机进行一定的优化和调整，以得到无限接近圆棒状的、内部结构相对均匀的三维预制体100。

具体地，纤维束通过三维机织工艺成型得到的三维预制体100结构如图3和图4所示。纤维束作为纱线，分为经纱101和纬纱102，经纱101沿复合芯的拉挤成型方向(经向)延伸，纬纱102沿水平面内垂直于经向的方向(纬向)延伸。三维机织工艺中，经纱101通过弯曲搭接不同层的纬纱102，经过规律性循环后纬纱102截面的堆叠，实现了层层互锁的整体结构，即获得三维预制体100。实际中，经纱101和纬纱102是相互弯曲的，但经纱101的弯曲程度小于纬纱102，这是因为经纱101受牵引力更大。三维预制体100的整体结构可以通过改变纱线弯曲点数量和纱线弯曲点跨度进行自由设计，纱线弯曲点越少，纱线弯曲点跨度越大，三维预制体100的变形能力则越强，沿纱线延伸方向的力学性能发挥效果也越佳。三维纺织机300是使经纱101和纬纱102以三维机织工艺进行规律性交替互锁的设备，为现有设备，其结构示意如图5所示，工作时，纱线(纤维束)穿过三维纺织机300的综丝孔和钢筘301后成型。现有的三维纺织机300的综丝孔呈空间矩形排布，三维纺织机300的综丝孔呈上下运动，向上运动可带动纤维束提起，提起的纤维束与未提起的纤维束形成一个三角开口，在开口引入纬纱102后，钢筘301将纬纱102推入三角口收紧，随后提起的纤维束下降，原未提起纤维束被提起，周而复始，就形成了纤维束间的交叉互锁结构。本实施例中，将三维纺织机300的综丝孔优选设计为前后倾斜且左右倾斜，以减少纱线间摩擦力。本实施例中，在三维纺织机300后端的布纱区域302的后侧设置纤维束预成型集束装置400，如图6所示，纤维束预成型集束装置400设有若干网格，单格可约束一路纤维束，各格与三维纺织机300的综丝孔一一对应。根据目标复合芯的直径、纤维体积含量、纤维原料的线密度和体密度等参数要求，可以计算需要的纤维束根数，以目标复合芯直径和三维纺织机经纱分布点位综合考量后在纤维束预成型集束装置400上形成正方形网格，结合纤维束用量在正方形网格内作圆，该圆以内的区域作为布纱区，将所需根数的纤维束均匀地布置到圆内，先在圆内完整的单格内穿设布置纤维束，在圆边缘处，位于圆内的面积超过单格面积三分之二的格内穿设布置纤维束，位于圆内的面积少于单格面积三分之一的格内不布置纤维束。在纤维束最开始成型为三维预制体的阶段，将纤维束预成型集束装置400放置在三维纺织机300布纱区域302的后侧，纤维束穿过三维纺织机300的综丝孔和钢筘301后，穿过纤维束预成型集束装置400而被约束于纤维束预成型集束装置400正方形网格上的布纱区内，纤维束经过三维纺织机300成型为三维预制体100时，纤维束预成型集束装置400在三维预制体100后侧随被牵引的纤维束同步前进；随着纤维束预成型集束装置400前的三维预制体100的成型长度不断增加，当未参与成型的纤维束和已成型的三维预制体部分能够通过后续路径并被牵引力牵引握持后，将纤维束预成型集束装置400拆卸，使纤维束预成型集束装置400退出纤维束前进路径，以使成型的三维预制体100能够顺利进入下一工序，三维纺织机300则在牵引力下连续成型三维预制体100。由此，纤维束预成型集束装置400对纤维束的初始成型起到预成型集束功能，可保证三维预制体100的直线度和轮廓成型质量，提高三维预制体100外轮廓与目标复合芯的圆形吻合度，可得到形状与目标复合芯形状接近的三维预制体100。

图7显示了一种采用三维机织工艺成型的三维预制体100截面结构上的穿纱形式，在三维预制体100的外轮廓上沿圆周方向布置有纬纱102a，该纬纱102a即为三维预制体100的外轮廓上布置的沿周向分布的连续纤维束。连续的纬纱102a将不同经纱层互锁并在表层形成沿圆周方向有纤维捆绑的工艺方式，纬纱102a沿不同方向延伸，且纬纱102a路径绕过排列在圆边缘的经纱101后不间断，用连续纬纱102a结构沿三维预制体100的圆周方向以类缠绕形式约束经纱101，进一步实现三维预制体100内部结构和外轮廓整体化不分层，在不同经纱层的边缘形成的纬纱闭环组织是三维预制体100一体成型的基础之一。特别地，实际操作中，在圆边缘经纱布置点位处，可额外增加细张力纱或提高圆边缘点位经纱的张力，以提高三维预制体100成型质量。

图8显示了一种采用三维机织工艺成型的三维预制体100制备的具有整体结构的纤维增强复合芯的截面结构，成型后的三维预制体100在浸润树脂200时，三维预制体100的外轮廓表面纤维束被树脂200覆盖，形成树脂面层201，并且树脂200进入三维预制体100的内部空间填充纤维束之间的空隙，形成树脂填充层202。浸润了树脂200的三维预制体100经拉挤固化成型，得到具有整体结构的纤维增强复合芯。

需要说明的是，图7和图8中为了示明经纱101、纬纱102、树脂200的层次而分别以椭圆形截面、实线、虚线展示，实际应用中，经纱101和纬纱102均为不规则条带状的纤维束，规律性交替互锁后大致呈类扁圆状。三维预制体100经拉挤成型时，纤维束会相对移动填充三维预制体100内部结构中较大的空隙，并由树脂200进一步填充所有空隙。图中为了区分经纱101、纬纱102、树脂200层次，调大了经纱101、纬纱102及外轮廓上圆周向分布的纤维束和树脂200的界限与位置以使显示更清楚。

由此，在一种较佳的实施方式中，三维预制体成型装置2包括三维纺织机300和纤维束预成型集束装置400。参见图1，本实施例的纤维增强复合芯的制造设备工作时，以纤维束作为纱线(经纱101和纬纱102)，将纤维束呈卷绕在卷筒上的卷绕态放置在纱架1上，受牵引机7牵引力作用，纤维束从卷筒上退绕呈单束状，通过陶瓷眼引入三维预制体成型装置2，穿过三维纺织机300的综丝孔和钢筘301后，成型为形状与目标复合芯形状接近的三维预制体100，在成型初始阶段将纤维束预成型集束装置400放置在三维纺织机300布纱区域302的后侧，对纤维束进行预成型集束，在成型了一定长度的三维预制体后，未参与成型的纤维束和已成型的三维预制体部分能够通过后续路径并被牵引力牵引握持时，将纤维束预成型集束装置400拆卸退出纤维束前进路径。由此实现三维预制体100的一体化净尺寸成型，并使得到的三维预制体100具备目标复合芯基本净尺寸轮廓。

本实施例中，纤维束可以为碳纤维、玻璃纤维、超高分子量聚乙烯纤维、芳纶纤维、聚酰亚胺纤维、PBO纤维(聚对苯撑苯并二噁唑纤维的简称)、混杂纤维(多种不同纤维混合使用)、改性纤维(如在现有某种纤维表层引入碳纳米管、增韧颗粒等物质，使某些性能得到改良的纤维等)和植物纤维(如木质素纤维)中的任意一种或多种的组合。本实施例的纤维增强复合芯主要用于电缆，因此其采用的纤维束以碳纤维为主。

参见图1，本实施例的纤维增强复合芯的制造设备中，优选地，预处理装置包括沿牵引机7牵引力的牵引方向依次布置的预成型装置3、预热装置4和压缩装置5，预成型装置3对三维预制体成型装置2制备的三维预制体100进行一次压缩，预热装置4对一次压缩后的三维预制体100进行预加热，压缩装置5对预加热后的三维预制体100进行二次压缩。

其中，参见图9，优选地，预成型装置3包括两个沿一次压缩的压缩方向A可分开或接合地相对设置的预成型开合部31，相接合的两个预成型开合部31之间形成沿牵引力的牵引方向贯通的预成型腔32，预成型腔32包括直径小于三维预制体100的外轮廓直径的预成型平直段32a和从预成型平直段32a的两端延伸出的直径逐渐增大的预成型喇叭口段32b。在三维预制体100经过预成型装置3的预成型腔32时，两个预成型开合部31呈规律性分开接合，通过预成型腔32的预成型平直段32a将三维预制体100塑型为较均匀的目标直径。预成型装置3的开合速度与三维预制体100的前进速度相配合，使得每次压合的长度可实现首尾重叠，避免遗漏。预成型装置3预成型腔32的长度与目标直径相关，目标直径越大，预成型腔32的长度宜增加且增加开合着力点，以保证压缩力均匀。预成型腔32两端的预成型喇叭口段32b可便于三维预制体100向预成型腔32的导入和导出。较佳地，两个预成型喇叭口段32b与预成型平直段32a之间均通过倒角平滑连接，以避免存在锋利边缘或棱角对三维预制体100造成损伤，也避免产生较大压痕。较佳地，预成型腔32的腔壁设有镀层，以提高预成型腔32的耐磨性并减少摩擦系数。

预热装置4可以采用现有常规的加热装置。

参见图10，优选地，压缩装置5包括两个沿二次压缩的压缩方向B可分开或接合地相对设置的压缩开合部51，相接合的两个压缩开合部51之间形成沿牵引力的牵引方向贯通的压缩腔52，压缩腔52包括直径不大于一次压缩后的三维预制体100的外轮廓直径的压缩平直段52a和从压缩平直段52a的两端延伸出的直径逐渐增大的压缩喇叭口段52b。预加热后的三维预制体100经过压缩装置5的压缩腔52时，两个压缩开合部51呈规律性分开接合，通过压缩腔52的压缩平直段52a对三维预制体100进行目标直径的二阶塑型，进一步将三维预制体100内富裕的弹性松弛空间压缩，以保证最终复合芯的纤维体积含量和成型质量，并使三维预制体100的形状近似目标复合芯形状。压缩装置5的开合速度与三维预制体100的前进速度相配合，使得每次压合的长度可实现首尾重叠，避免遗漏。压缩装置5压缩腔52的长度与目标直径相关，目标直径越大，压缩腔52的长度宜增加且增加开合着力点，以保证压缩力均匀。压缩腔52两端的压缩喇叭口段52b可便于三维预制体100向压缩腔52的导入和导出。较佳地，两个压缩喇叭口段52b与压缩平直段52a之间均通过倒角平滑连接，以避免存在锋利边缘或棱角对三维预制体100造成损伤，也避免产生较大压痕。较佳地，压缩腔52的腔壁设有耐磨防黏涂层，以提高压缩腔52的耐磨性并减少摩擦系数。

进一步，压缩装置5对预加热后的三维预制体100进行二次塑型的同时还可以对预加热后的三维预制体100进行预浸润树脂，树脂预浸润优选采用树脂压力注射浸润三维预制体100的方式。参见图10，在一种较佳的实施方式中，压缩装置5至少一个压缩开合部51上设有与压缩腔52相连通的第一树脂注射口53，第一树脂注射口53用于向压缩腔52内压力注射树脂。第一树脂注射口53连接树脂注射系统，树脂注射系统为现有设备，压缩装置5下方可以设置树脂回收装置，用于承接从压缩装置5中被挤出的多余树脂。在压缩装置5的每次开合过程中，由第一树脂注射口53向压缩腔52内完成一次树脂注射，树脂在注射压力下浸润到三维预制体100内，并且，依靠压缩装置5闭合压缩力和毛细效应等，树脂在三维预制体100内逐渐扩散开来，形成初步浸润，多余的树脂被挤出压缩装置5经压缩装置5下方的回收装置回收过滤后返回树脂注射系统，如此实现三维预制体100的二次塑型和树脂预浸润。较佳地，两个压缩开合部51上分别设有一个第一树脂注射口53，两个第一树脂注射口53分别位于压缩平直段52a的两端部并沿二次压缩的压缩方向B呈对位布置，通过对位布置的两个第一树脂注射口53压力对冲可以实现三维预制体100浸润透彻且减缓树脂从压缩装置5断口外溢。

由此，在步骤二中，经过压缩装置5二次塑型和树脂预浸润后的三维预制体100的形状近似纤维增强复合材料的目标形状，经过压缩装置5二次塑型和树脂预浸润后的三维预制体100的内部结构中扩散有树脂200形成树脂初步浸润。

本实施例中，优选地，预成型装置3对三维预制体100进行一次压缩的压缩方向A与压缩装置5对三维预制体100进行二次压缩的压缩方向B相互垂直，较佳地，一次压缩的压缩方向A为水平方向，二次压缩的压缩方向B为竖直方向。两次塑型压缩方向垂直可以中和压痕变形，使两次塑型后的三维预制体100截面更饱满。

参见图1和图11，本实施例的纤维增强复合芯的制造设备中，定型装置6对预处理后的三维预制体100进行树脂浸润优选采用树脂压力注射浸润三维预制体100的方式。优选地，定型装置6包括定型模具61，定型模具61内部形成有沿牵引力的牵引方向贯通的定型腔62，定型模具61上设有与定型腔62相连通的第二树脂注射口63和对定型腔62内部进行加热的高温固化区，第二树脂注射口63用于向定型腔62内压力注射树脂，高温固化区位于第二树脂注射口63远离压缩装置5、靠近牵引机7的一侧。定型模具61定型腔62具有较长的长度，定型腔62靠近压缩装置5的一端设为向外扩张的喇叭口状，以便于预处理后的三维预制体100进入定型模具61的定型腔62内。预处理后经压缩装置5二次压缩塑型后的三维预制体100能够更轻松进入定型装置6的定型模具61。第二树脂注射口63可以通过混合头64连接树脂注射系统，树脂注射系统为现有设备。预处理后的三维预制体100经过定型模具61的定型腔62时，树脂注射系统中的树脂在超声波下完成首次脱泡，经高压由第二树脂注射口63注入定型腔62内，完成对三维预制体100的最终注射浸润，较佳地，在定型模具61于第二树脂注射口63所在的树脂浸润区域外侧布置超声波发射器，设定一定频率后使超声波穿透三维预制体100及浸润的树脂，由此可进一步促进注入三维预制体100内的树脂完成脱泡，减小复合芯内部孔隙率。最终浸润后的三维预制体100经过高温固化区加热使浸润了树脂的三维预制体100固化成型，最后被牵引出定型模具61后得到具有整体结构的纤维增强复合芯。

优选地，本实施例中，在定型装置6与牵引机7之间设有用于收集纤维增强复合芯的收集系统，从定型模具61牵引出的纤维增强复合芯经降温后由收集系统进行收集，收集方式优选为盘卷收集。

本实施例中，三维预制体100浸润的树脂200可以为热塑性树脂和热固性树脂中的任意一种或两种的结合(如热固性树脂中加入热塑性树脂的增韧颗粒)。

参见图1，本实施例的纤维增强复合芯的制造设备中，由牵引机7提供从纱架1向收集系统牵引的牵引力，以牵引纤维束、三维预制体100和纤维增强复合芯前进，使纤维增强复合芯的制备过程连续进行。具体地，牵引机7依次牵引纱架1上的纤维束经过三维预制体成型装置2(三维纺织机300和纤维束预成型集束装置400)成型为三维预制体100、牵引该三维预制体100依次经过预成型装置3一次压缩塑型为较均匀的目标直径、经过预热装置4预加热、经过压缩装置5二次压缩塑型为近似目标复合芯形状和初步浸润树脂、经过定型装置6完成树脂最终注射浸润和固化成型为纤维增强复合芯、牵引该纤维增强复合芯脱出定型装置6经降温后进入收集系统，从而形成了三维预制体成型-树脂注射浸润-拉挤成型连续化制备工艺体系，可制备具有整体结构的纤维增强复合芯。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，包括依次布置的纱架、三维预制体成型装置、预处理装置、定型装置和牵引机，所述纱架上放置若干纤维束；所述三维预制体成型装置将若干所述纤维束进行规律性交替互锁构成三维预制体，所述三维预制体为三维立体织物，所述三维预制体形成有相互交织成一体的内部结构和外轮廓，所述三维预制体为不分层的整体结构；所述预处理装置对所述三维预制体进行预处理；所述定型装置对预处理后的三维预制体进行树脂浸润和拉挤成型，形成纤维增强复合芯；所述牵引机提供由所述纱架向所述牵引机牵引的牵引力，所述牵引力同时牵引所述纤维束、所述三维预制体和所述纤维增强复合芯。

2.根据权利要求1所述的纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，所述三维预制体成型装置包括三维纺织机。

3.根据权利要求1所述的纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，所述预处理装置包括沿所述牵引力的牵引方向依次布置的预成型装置、预热装置和压缩装置，所述预成型装置对所述三维预制体成型装置制备的三维预制体进行一次压缩，所述预热装置对一次压缩后的三维预制体进行预加热，所述压缩装置对预加热后的三维预制体进行二次压缩。

4.根据权利要求3所述的纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，所述预成型装置对三维预制体进行一次压缩的压缩方向与所述压缩装置对三维预制体进行二次压缩的压缩方向相互垂直。

5.根据权利要求3所述的纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，所述预成型装置包括两个沿所述一次压缩的压缩方向可分开或接合地相对设置的预成型开合部，相接合的两个所述预成型开合部之间形成沿所述牵引力的牵引方向贯通的预成型腔，所述预成型腔包括直径小于所述三维预制体的外轮廓直径的预成型平直段和从所述预成型平直段的两端延伸出的直径逐渐增大的预成型喇叭口段。

6.根据权利要求5所述的纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，所述预成型腔的腔壁设有镀层。

7.根据权利要求3所述的纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，所述压缩装置包括两个沿所述二次压缩的压缩方向可分开或接合地相对设置的压缩开合部，相接合的两个所述压缩开合部之间形成沿所述牵引力的牵引方向贯通的压缩腔，所述压缩腔包括直径不大于一次压缩后的三维预制体的外轮廓直径的压缩平直段和从所述压缩平直段的两端延伸出的直径逐渐增大的压缩喇叭口段。

8.根据权利要求7所述的纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，两个所述压缩开合部上分别设有一个第一树脂注射口，两个所述第一树脂注射口分别位于所述压缩平直段的两端部并沿所述二次压缩的压缩方向呈对位布置，两个所述第一树脂注射口用于向所述压缩腔内压力注射树脂。

9.根据权利要求1所述的纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，所述定型装置包括定型摸具，所述定型模具内部形成有沿所述牵引力的牵引方向贯通的定型腔，所述定型摸具上设有与所述定型腔相连通的第二树脂注射口和对所述定型腔内部进行加热的高温固化区，所述第二树脂注射口用于向所述定型腔内压力注射树脂，所述高温固化区位于所述第二树脂注射口靠近所述牵引机的一侧。

10.根据权利要求1所述的纤维增强复合芯的制造设备，其特征在于，在所述定型装置与所述牵引机之间设有用于收集所述纤维增强复合芯的收集系统。

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