CN115583055A - 纤维增强复合材料的制造工艺及纤维增强复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明涉及纤维增强复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料的制造工艺及一种采用该制造工艺制备的纤维增强复合材料。该制造工艺主要是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；对三维预制体依次进行烘干、预处理、树脂浸润和拉挤成型，形成纤维增强复合材料，并对纤维增强复合材料进行后固化；纤维束、三维预制体和纤维增强复合材料受同一牵引力牵引前进，使上述过程在牵引力作用下连续进行。将三维预制体与拉挤工艺结合，充分发挥了复合材料拉挤工艺的连续性、低成本的特点和三维预制体综合性能优异以及可一体化净尺寸成型的特点。

Description

纤维增强复合材料的制造工艺及纤维增强复合材料

技术领域

本发明涉及纤维增强复合材料技术领域，尤其涉及一种纤维增强复合材料的制造工艺及一种采用该纤维增强复合材料的制造工艺制备的纤维增强复合材料。

背景技术

复合材料通常是指由两种或两种以上不同属类的材料结合后得到的新材料。高性能纤维凭借其优秀的机械性能，与树脂结合制备成的复合材料可用作承力结构，称为纤维增强复合材料。其中，纤维作为主要受力结构被称为增强体，树脂则负责将纤维完好的保护、融合，使其分散均匀，提高纤维内各单丝的受力一致性，充分发挥纤维的力学性能，被称为基体。

现有技术中，纤维增强复合材料的制造工艺主要有以下几种：喷涂短纤维工艺、单向带铺层工艺、预浸料织物铺层工艺、长丝缠绕工艺、预制体真空辅助导流模塑工艺(以下简称为VARTM)、预制体树脂传递模塑工艺(以下简称为RTM)、拉挤工艺等。

其中，喷涂短纤维工艺多用于玻璃钢塑料制备，如旧式垃圾桶、汽车饰板等。其增强体为短纤维随机无序搭接，性能表现比纯工程塑料有所提高，但综合性能表现不足，多以单个零件批量生产。单向带预浸料铺层工艺是目前市场较为基础的复合材料制备工艺，其主要将纤维束宽度展开制备得到预浸料，以单向纤维带预浸料宽度搭接方式铺层，得到预制体，然后经高压釜加热固化得到复合材料。预浸料是指纤维或其制品先浸润部分含量树脂后呈湿粘稠态保存的、可与树脂继续浸润结合并用于完全固化制备复合材料的过渡形态材料。此工艺由一维原材料叠层制备，复合材料的抗层间分层、抗弯曲、抗扭转、抗冲击等性能表现不足。预浸料织物铺层工艺是在单向带预浸料铺层工艺上材料维度的升级，将一维原料单向带预浸料升级为二维织物，但叠层的原理不变，复合材料的抗层间分层、抗扭转、抗弯曲、抗冲击性能是有提高，但层间分层、裂纹快速扩散、抗冲击效果不佳仍是该工艺主要问题。长丝缠绕工艺多为储气瓶或某段圆管圆周加强工艺，为某段间距内左右循环缠绕叠层原理，是单向带预浸料铺层工艺的圆周向改进方法，复合材料圆周向抗压效果提升显著，但仍然属于叠层原理，同样无法避免抗冲击破坏快速扩散的劣势。总的来说，这几种工艺均无法使用三维预制体制备复合材料，可通俗理解为直接将原材料纤维以不同形态(如干纤维、短纤维、湿纤维即纤维预浸料、干纤维织物、湿纤维织物即织物预浸料)与树脂结合制备复合材料。

VARTM和RTM在原铺层预制体与树脂固化的基础上，现多用于三维预制体作增强体并抽真空后，注入树脂基体完成加热固化制备得到复合材料。二者主要区别为RTM为双面硬质模具成型，所得复合材料有两个光滑装饰面，VARTM为单面硬质模具成型，只有一个光滑装饰面。此外RTM可承受更大的真空压强，密封性优于VARTM，复合材料内部气孔存有量更低，复合材料成型质量更好。但现有三维预制体RTM工艺只能分批次制备，无法实现连续制备，对树脂注射系统、树脂结合能力、金属模具密封性、注射孔位、模具内表面精度等综合指标的依赖度较高，前期投入成本较大。

拉挤工艺根据原材料形式不同，可分为纤维类拉挤、织物类拉挤两类。纤维类拉挤以干纤维或纤维预浸料为原料，直接利用纤维形态，加入树脂后通过模具塑型制备复合材料，如复合芯。此类拉挤复合材料内部纤维基本呈平行排列，仅依靠树脂与纤维单丝界面结合成型，纤维延伸方向的抗拉伸性能突出，但其它方向的各力学性能，如直径方向抗压缩抗弯曲、轴向抗扭转、抗冲击等性能表现较差。随后诞生了改良工艺，如拉缠组合、拉编组合等，使用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或纤维管状编织工艺，制备得到具有表面螺旋结构或编织管套面层的纤维增强复合材料。但二者仅适合正圆形截面的棒体或管体拉挤的周向加固，加固效果单一，需多种工艺与机械设备的良好配合，工艺较为复杂。同时成型质量受两种工艺配合程度的影响较大，一旦出现配合失误，产品即报废或出现失效原点位。特别是，缠绕/编织工艺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，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，复合材料仍有快速失效的趋势。因此具有“皮芯结构”的复合材料的耐疲劳、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材料的应用，难以满足更加苛刻的使用要求。

织物类拉挤以二维织物、纤维毡、纤维等多种原料叠层组合的方式，加入树脂后通过模具塑型制备复合材料。此类工艺多用于制备I/L/H/型、矩形、圆筒型、异型复合材料。由于各纤维原料在内部仍然以叠层方式组合，层间开裂、裂纹快速大范围扩散、抗冲击性能不足、耐疲劳性能不足等问题是其失效的主要形式。现有技术则在各织物叠层外表面覆盖一层连续的织物作为保护层，缓解内部织物层分层的趋势。但表面覆盖织物层的收口叠层却成为复合材料受力时的应力集中区，是破坏的优先发生点位，此方法治标不治本，无法约束内部各织物层分层，无法有效抑制裂纹在内部各层间快速扩散，其结构可宏观归类为皮芯结构。

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材料的制造工艺，能够获得综合力学性能优异的纤维增强复合材料。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种纤维增强复合材料的制造工艺，依次包括以下步骤：步骤一、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；步骤二、对三维预制体进行烘干；步骤三、对烘干后的三维预制体进行预处理；步骤四、对预处理后的三维预制体进行树脂浸润和拉挤成型，形成纤维增强复合材料；步骤五、对纤维增强复合材料进行后固化；纤维束、三维预制体和纤维增强复合材料受同一牵引力牵引前进，步骤一至步骤五在牵引力作用下连续进行。

优选地，在步骤一中，在三维预制体的外轮廓上布置沿周向分布的连续纤维束。

优选地，在步骤一中，采用三维机织工艺制备三维预制体。

优选地，在步骤三中，预处理包括一次塑型和二次塑型，一次塑型对烘干后的三维预制体进行一次压缩，二次塑型对一次塑型后的三维预制体进行二次压缩。

优选地，在步骤三中，一次塑型对三维预制体进行一次压缩的压缩方向与二次塑型对三维预制体进行二次压缩的压缩方向相互垂直。

优选地，在步骤四中，树脂浸润采用树脂压力注射浸润三维预制体的方式。

优选地，在步骤五中，对后固化后的纤维增强复合材料进行冷却。

优选地，还包括步骤六、对步骤五中获得的纤维增强复合材料进行在线检测。

本发明还提供一种纤维增强复合材料，采用如上所述的纤维增强复合材料的制造工艺制备获得。

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材料的制造工艺将三维预制体成型与复合材料拉挤工艺相结合，充分发挥了复合材料拉挤工艺的连续性、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，使得纤维增强复合材料具有更突出的抗拉、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材料的制造工艺制备获得的纤维增强复合材料的结构示意图。

图2是图1示出的纤维增强复合材料中，三维预制体的局部结构示意图。

图3是图1示出的纤维增强复合材料中，三维预制体的侧面结构示意图。

图4是本发明实施例的纤维增强复合材料的制造工艺采用的三维纺织机的结构示意图。

图5是本发明实施例的纤维增强复合材料的制造工艺采用的纤维束预成型集束装置的结构示意图。

图6是图1示出的纤维增强复合材料中，三维预制体的截面结构示意图。

图7是图1示出的纤维增强复合材料的截面结构示意图。

图8是本发明实施例的纤维增强复合材料的制造工艺的工艺路线示意图。

图9是本发明实施例的纤维增强复合材料的制造工艺采用的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材料的制造工艺采用的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材料的制造工艺采用的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 烘干装置

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 定型模具

61 高温固化区

62 定型腔

63 第二树脂注射口

64 树脂浸润区域

7 后固化装置

8 冷却装置

9 收集系统

10 牵引机

11 在线检测装置

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，为弥补拉挤复合材料性能的不足，采用如缠绕和编织的工艺通过层层加叠的方式来增加拉挤复合材料的周向性能，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、层叠方式如何，最终形成的都是皮芯结构，无法避免复合材料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材料快速失效，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材料，该纤维增强复合材料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材料的抗拉、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。

现有技术中，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，但目前三维预制体主要应用在高性能、高成型质量承力结构件复合材料的RTM成型工艺中，以单件或多件分段分批次重复制备产品，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。而复合材料的拉挤工艺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，复合材料拉挤工艺研究者过于关注复合材料某单一方向性能的提升，复合材料的RTM成型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，又因现有复合材料的拉缠组合、拉编组合等工艺，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，因此现有技术对拉挤复合材料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拉挤复合材料制备中来替代皮芯结构以提高拉挤复合材料的综合力学性能，这是拉挤复合材料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材料拉挤工艺相结合，获得具有整体结构的纤维增强复合材料。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，而复合材料拉挤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材料，并且，由于将三维预制体的成型结合于复合材料拉挤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，充分发挥了复合材料拉挤工艺的连续性、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，现有的复合材料拉挤工艺中的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材料拉挤工艺相结合时，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，严重影响复合材料性能。为解决三维预制体内树脂浸润程度的问题，本发明提出在复合材料拉挤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，因此在连续复合材料拉挤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材料拉挤工艺相结合，由此形成了三维预制体成型-树脂注射浸润-拉挤工艺连续化制备具有整体结构的纤维增强复合材料的工艺体系。

基于此，本发明提供一种纤维增强复合材料的制造工艺，用于制备具有整体结构的纤维增强复合材料。

如图1至图11所示，为本发明提供的纤维增强复合材料的制造工艺的一种实施例。

参见图1，本实施例的纤维增强复合材料的制造工艺依次包括以下步骤。

步骤一、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。

步骤二、对步骤一中获得的三维预制体100进行烘干，以去除三维预制体100内纤维束的水分，提高后续树脂浸润程度和成型质量。

步骤三、对三维预制体100进行预处理，使三维预制体100收缩预成型。

步骤四、对预处理后的三维预制体100进行树脂200浸润和拉挤成型，形成纤维增强复合材料。

步骤五、对步骤四中获得的纤维增强复合材料进行后固化，得到纤维增强复合材料产品。后固化的主要目的是利用加热去除纤维增强复合材料内部因拉挤成型高温固化产生的内应力，降低纤维增强复合材料因存在内应力而发生翘曲变形的风险。

纤维束、三维预制体100和纤维增强复合材料受同一牵引力牵引前进，步骤一至步骤五在牵引力作用下连续进行。

本实施例的纤维增强复合材料的制造工艺将三维预制体100成型与复合材料拉挤工艺相结合，充分发挥了复合材料拉挤工艺的连续性、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，使得纤维增强复合材料具有更突出的抗拉、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，步骤一中，在三维预制体100的外轮廓上布置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。

步骤一中，优选地，采用三维机织工艺制备三维预制体100。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具备目标复合材料基本净尺寸轮廓。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材料的制造工艺中制备三维预制体100时，为便于对三维预制体100进行树脂浸润和拉挤工艺，可以对采用的三维机织工艺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2和图3所示。纤维束作为纱线，分为经纱101和纬纱102，经纱101沿复合材料的拉挤工艺方向(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4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5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。根据目标复合材料的直径、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，以目标复合材料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外轮廓与目标复合材料的圆形吻合度，可得到形状与目标复合材料形状接近的三维预制体100。

图6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7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材料的截面结构，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材料。

需要说明的是，图6和图7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经拉挤工艺时，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。

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。

参见图8，本实施例的纤维增强复合材料的制造工艺的步骤一采用三维机织工艺制备三维预制体100时，具体地，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，纱架1主要作用为放置纤维料筒(卷筒)，受牵引力作用，纤维束从卷筒上切向退绕呈单束状，通过陶瓷眼引入三维预制体成型装置2。为提高三维预制体100拉挤成型质量，可以在纱架1上作单料筒退绕张力装置升级，实现各纤维料筒独立磁性阻尼精准控制，张力可调，最终实现三维预制体100内纤维束结构分布相对均匀。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，退绕出来的纤维束穿过三维纺织机300的综丝孔和钢筘301后，成型为形状与目标复合材料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，通过步骤一实现了三维预制体100的一体化净尺寸成型，并使得到的三维预制体100具备目标复合材料基本净尺寸轮廓。

本实施例中，在步骤二中，对步骤一中获得的三维预制体100进行烘干通过烘干装置4完成，烘干装置4优选采用声波加热装置，声波加热装置为现有设备，通过声波加热的方式对三维预制体100进行烘干，可确保三维预制体100内部加热完全，无水分残留。

本实施例中，优选地，在步骤三中，预处理包括一次塑型和二次塑型，一次塑型对烘干后的三维预制体100进行一次压缩，二次塑型对一次塑型后的三维预制体100进行二次压缩。通过两次压缩塑型使三维预制体100收缩预成型。

其中，一次塑型可以通过预成型装置3完成。参见图9，本实施例中，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。

二次塑型可以通过压缩装置5完成。参见图10，本实施例中，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。一次塑型后的三维预制体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，以保证最终复合材料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材料形状。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，在步骤三中，二次塑型的同时还可以对一次塑型后的三维预制体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。二次塑型和树脂预浸润可以通过压缩装置5完成。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，在步骤三中，经过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，在步骤三中，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。

本实施例中，优选地，步骤四中的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，树脂压力注射浸润使用低粘度(300cps-1500cps)树脂、高注射压力(4bar-10bar)注射树脂进入注射模具(下述定型模具6)内，可与三维预制体100浸润透彻。

步骤四中对预处理后的三维预制体100进行树脂浸润和拉挤成型可以通过定型模具6完成。参见图8和图11，定型模具6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6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61，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61位于第二树脂注射口63远离压缩装置5的一侧。定型模具6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6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模具6。第二树脂注射口63可以通过混合头连接树脂注射系统，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6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6于第二树脂注射口63所在的树脂浸润区域64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，减小复合材料内部孔隙率。较佳地，将定型模具6定型腔62位于树脂浸润区域64的部分设计为弯曲虹吸形状，并在某个弯曲节点形成一个相对开阔的树脂聚集空腔，使得位于树脂浸润区域64的定型腔62内部具有较大流体压差，有助于增强树脂浸润效果。最终浸润后的三维预制体100经过高温固化区61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6后得到具有整体结构的纤维增强复合材料。

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)。

本实施例中，将树脂浸润模具(定型模具6的树脂浸润区域64)和拉挤成型的加热固化模具(定型模具6的高温固化区61)设计为一体结构(定型模具6整体)，是一种较佳的实施方式。实际应用中，也可以将二者分开。

由于三维预制体100表面纹理结构比常规单向纤维结构相对复杂，所以与定型模具6定型腔62腔壁间的摩擦力相对更大，为了降低摩擦对三维预制体100表面织物结构的损伤，优选地，对定型模具6定型腔62腔壁进行精磨并涂层，以提高其耐磨性和减少摩擦系数。涂层的种类并不局限，例如可以为镀铬或涂覆特氟龙涂层或涂覆其它低摩擦高耐磨特性的涂层等。为了提高三维预制体100温度内部热辐射均匀性，优选地，在定型模具6内部于定型腔62外周侧开设环绕定型腔62的热油循环路径，利用高温热油在该热油循环路径内循环加热的方式来提供相对均匀的热辐射，可提高复合材料固化质量，降低因受热不匀而报废的风险。

本实施例中，在步骤五中，步骤四中获得的纤维增强复合材料进行后固化可以通过后固化装置7完成，后固化装置的加热温度低于定型模具6的高温固化区61的加热温度。后固化装置可以采用现有加热设备。

进一步，后固化的纤维增强复合材料留存一定温度，因此，参见图8，在步骤五中，对后固化后的纤维增强复合材料进行冷却，使其温度降到室温，以便于对其进行收集包装。对后固化后的纤维增强复合材料进行冷却可以通过冷却装置8完成，冷却装置8可以采用风冷或水冷的方式对后固化后的纤维增强复合材料进行冷却降温。

较佳地，可以在冷却装置8远离后固化装置7的一侧设置用于收集复合材料的收集系统9，从定型模具6牵引出的纤维增强复合材料经后固化装置7后固化和冷却装置8冷却降温后由收集系统9进行收集。根据纤维增强复合材料的弯曲性能，可由收集系统9进行连续卷盘收集或定长切割收集，当定长切割收集时，需要配置可配合牵引速度的切割机。收集系统9可以采用现有设备。

参见图8，本实施例的纤维增强复合材料的制造工艺中，可以由牵引机10提供从纱架1向收集系统9牵引的牵引力，以牵引纤维束、三维预制体100和纤维增强复合材料前进，使步骤一至步骤五在该牵引力作用下连续进行。具体地，牵引机10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依次经过烘干装置4烘干、经过预成型装置3一次压缩塑型为较均匀的目标直径、经过压缩装置5二次压缩塑型为近似目标复合材料形状、经过定型模具6完成树脂最终注射浸润和加热固化成型为纤维增强复合材料、牵引该纤维增强复合材料脱出定型模具6并经过后固化装置7后固化、经过冷却装置8冷却降温后进入收集系统9，从而形成了三维预制体成型-树脂注射浸润-拉挤工艺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材料。

牵引机10优选设置在冷却装置8和收集系统9之间。牵引机10优选采用履带式牵伸机构，该机构为上下两条履带夹持材料，夹持面积大，两条履带对向前进，牵伸力输出更稳定，可使纤维增强复合材料被拉出定型模具6时速度相对更均匀，更有利于纤维增强复合材料成型质量。优选地，可在履带式牵引结构上改良为伺服电机驱动履带牵伸，可增加对牵伸速度的精细化、定量化控制，有利于工艺量化、细化、精益制造。

较佳地，在牵引机10之后的纤维增强复合材料通过路径上安装长度记数装置，可为物理记数方式、光电记数方式等，用于记录制得的纤维增强复合材料长度。

参见图8，优选地，本实施例的纤维增强复合材料的制造工艺还包括步骤六、对步骤五中获得的纤维增强复合材料进行在线检测，用于对制得的纤维增强复合材料的若干指标进行在线测量并做出判断。在线检测可以通过在线检测装置11完成，在线检测装置11并不局限，可以根据需要检测的指标选择相应的现有检测设备。例如，对复合材料宽度指标的检测可通过激光标定、图像识别等手段全覆盖检测宽度，统计数据，并可根据对异常数据的要求做出判断指令；对复合材料表面质量的检测可通过图像识别、红外等手段进行全覆盖检测，统计数据，并根据对异常数据的要求做出判断指令；对复合材料内部缺陷如气孔、夹杂、纤维毛团、织物褶皱等的检测可通过红外、超声、射线等手段无损检测，统计数据，并可根据对异常数据的要求做出判断指令。

基于上述纤维增强复合材料的制造工艺，本实施例还提供一种纤维增强复合材料。本实施例的纤维增强复合材料采用本实施例的上述纤维增强复合材料的制造工艺制备获得。由于三维预制体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，使得本实施例的纤维增强复合材料具有更突出的抗拉、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。

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 (9)

1.一种纤维增强复合材料的制造工艺，其特征在于，依次包括以下步骤：

步骤一、将若干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；

步骤二、对所述三维预制体进行烘干；

步骤三、对烘干后的三维预制体进行预处理；

步骤四、对预处理后的三维预制体进行树脂浸润和拉挤成型，形成纤维增强复合材料；

步骤五、对所述纤维增强复合材料进行后固化；

所述纤维束、所述三维预制体和所述纤维增强复合材料受同一牵引力牵引前进，所述步骤一至所述步骤五在所述牵引力作用下连续进行。

2.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造工艺，其特征在于，在所述步骤一中，在所述三维预制体的外轮廓上布置沿周向分布的连续纤维束。

3.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造工艺，其特征在于，在所述步骤一中，采用三维机织工艺制备所述三维预制体。

4.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造工艺，其特征在于，在所述步骤三中，所述预处理包括一次塑型和二次塑型，所述一次塑型对烘干后的三维预制体进行一次压缩，所述二次塑型对一次塑型后的三维预制体进行二次压缩。

5.根据权利要求4所述的纤维增强复合材料的制造工艺，其特征在于，在所述步骤三中，所述一次塑型对三维预制体进行一次压缩的压缩方向与所述二次塑型对三维预制体进行二次压缩的压缩方向相互垂直。

6.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造工艺，其特征在于，在所述步骤四中，所述树脂浸润采用树脂压力注射浸润三维预制体的方式。

7.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造工艺，其特征在于，在所述步骤五中，对后固化后的纤维增强复合材料进行冷却。

8.根据权利要求1所述的纤维增强复合材料的制造工艺，其特征在于，还包括步骤六、对所述步骤五中获得的纤维增强复合材料进行在线检测。

9.一种纤维增强复合材料，其特征在于，采用如权利要求1至8中任意一项所述的纤维增强复合材料的制造工艺制备获得。

Images