CN116461162B - 一种纤维增强复合材料及其制备工艺 - Google Patents

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Abstract

一种纤维增强复合材料及其制备工艺，其中纤维增强复合材料包括增材制造的第一基体材料、增材制造的第二基体材料和分布于第一基体材料和第二基体材料的多个单位成型层中的增强纤维。所述第一基体材料和第二基体材料之间具有接合面，在单位成型层中，增强纤维在长度方向上自第一基体材料向第二基体材料延伸，穿过所述接合面。优选地，增强纤维在第一基体材料和第二基体材料中非均质分布。制备该纤维增强复合材料时，在同一个打印层中，先后或同时打印第一基体材料和第二基体材料，打印一个或多个复合打印层后，利用布丝方式添加增强纤维，增强纤维在长度方向上自第一基体材料向第二基体材料延伸，穿过二者之间的接合面，然后继续打印复合打印层。

Description

一种纤维增强复合材料及其制备工艺
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体为一种纤维增强复合材料及其制备工艺，可用于制备高力学性能的纤维增强金属零件、纤维增强有机材料零件等。
背景技术
纤维增强复合材料目前已可通过增材制造技术制造，当采用增材制造技术制造纤维增强复合材料时，以纤维增强金属复合材料为例，如果基体材料由两种不同材质的金属材料构成，其打印方式通常如图1所示，在打印基板1上，先自下而上逐层打印第一基体材料2，打印完第一基体材料2后，在第一基体材料2表面上再自下而上逐层打印第二基体材料3，在第一基体材料2和第二基体材料3之间形成接合面4。增强纤维5是在逐层打印第一基体材料2和第二基体材料3的时候通过喷丝方式添加到第一基体材料2和第二基体材料3的打印层之中。打印后的纤维增强复合材料由于纤维的增强作用，比单纯采用基体材料时具有更高的强度，能承受更高的工作载荷或机械冲击。
以上制造方式虽然能够制备出强度整体有所改善的纤维增强复合材料，但由于增强纤维5所在面与接合面4是平行关系，增强纤维5并不会对接合面4有特别的增强作用，无法改变接合面4由于材料差异而存在的力学薄弱现状，而且，在以上均质的纤维增强复合材料制造工艺中，没有充分发挥出增材制造技术的材料性能定制化优势。
发明内容
为了解决背景技术提出的问题，本发明提出一种纤维增强复合材料及其制备工艺。
本发明所采取的技术方案具体是：
一种纤维增强复合材料，包括：
增材制造的第一基体材料；
增材制造的第二基体材料；
分布于所述第一基体材料和第二基体材料的多个单位成型层中的增强纤维；
所述第一基体材料和所述第二基体材料之间具有接合面，在所述多个单位成型层中的每个或部分单位成型层中，所述增强纤维在长度方向上自所述第一基体材料向所述第二基体材料延伸，穿过所述接合面；
在增材制造的复合材料产品中，所述增强纤维非均质分布。
进一步，上述纤维增强复合材料，在一个单独的单位成型层中，多根所述增强纤维在所述第一基体材料和第二基体材料中非均质排列。
进一步，上述纤维增强复合材料，在一个单独的单位成型层中，多根所述增强纤维在所述第一基体材料和第二基体材料中按照越靠近复合材料产品受力部位间距越小的方式进行所述的非均质排列。
进一步，上述纤维增强复合材料，在一个单独的单位成型层中，多根所述增强纤维在所述第一基体材料和第二基体材料中按照越靠近复合材料产品中心部间距越大的方式进行所述的非均质排列。
进一步，上述纤维增强复合材料，在多个不同的单位成型层中，所述增强纤维的排列位置和/或排列方式不同。
进一步，上述纤维增强复合材料，多个不同的单位成型层中的所述增强纤维在垂直于打印面的方向上呈非均质分布。
进一步，上述纤维增强复合材料，所述第一基体材料和第二基体材料的材质选自金属材料或有机材料。
进一步，上述纤维增强复合材料，所述增强纤维的材质选自金属材料、无机非金属材料或有机材料。
一种纤维增强复合材料的制备工艺，用于制备上述纤维增强复合材料，其特征在于，包括步骤：
步骤1，在打印基板上，或者在已存在的预制打印层上，先后或同时打印第一基体材料和第二基体材料，形成一个或多个复合打印层，每个复合打印层都包含第一基体材料区域和第二基体材料区域；
步骤2，在步骤1形成的复合打印层上，利用布丝方式添加增强纤维，所述增强纤维在长度方向上自所述第一基体材料向所述第二基体材料延伸，穿过二者之间的接合线；
步骤3，继续打印第一基体材料和第二基体材料，再次形成所述的包含第一基体材料区域和第二基体材料区域的一个或多个复合打印层；
步骤4，在步骤3形成的复合打印层上，再次利用布丝方式添加增强纤维；
按照步骤3、步骤4重复进行，直到完成目标打印区域或者整个复合材料产品的打印。
进一步，上述纤维增强复合材料的制备工艺，打印第一基体材料和第二基体材料的原料为丝材、粉材或流质原料。
有益效果：
本发明提供的纤维增强复合材料，增强纤维在长度方向上自第一基体材料向第二基体材料延伸，穿过二者之间的接合面，解决了接合面上由于材料差异而存在的力学薄弱问题。
制备本发明的纤维增强复合材料时，只需要在每一个打印层中，先后或同时打印第一基体材料和第二基体材料，并间或利用布丝方式添加增强纤维，使增强纤维在长度方向上自第一基体材料向第二基体材料延伸，穿过二者之间的接合线，反复打印和添加增强纤维的过程，得到最终纤维增强复合材料产品，适用于多种增材制造工艺，可用于制备高力学性能的纤维增强金属零件、纤维增强有机材料零件等。
本发明可以进一步结合受力分析规划增强纤维的分布，充分发挥增材制造技术的材料性能定制化优势，同时起到节约成本和提高材料力学性能的作用。
附图说明
图1为改进前的纤维增强复合材料及其制备原理示意图。
图2为图1的侧向视图。
图3为本发明实施例1的纤维增强复合材料及其制备原理示意图。
图4为图3的侧向视图。
图5为本发明实施例2的纤维增强复合材料及其制备原理示意图。
图6为本发明实施例3的纤维增强复合材料及其制备原理示意图。
图中附图标记含义：
打印基板1；第一基体材料2；第二基体材料3；接合面4；增强纤维5。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
改进前的技术
图1、图2示意了改进前的纤维增强复合材料及其制备原理。采用增材制造工艺制备多基体材料的纤维增强复合材料时，其打印方式一般是在打印基板1上，先自下而上逐层打印第一基体材料2，打印完第一基体材料2后，在第一基体材料2表面上再自下而上逐层打印第二基体材料3，在第一基体材料2和第二基体材料3之间形成接合面4。这种制造方法中，增强纤维5是在逐层打印第一基体材料2和第二基体材料3的时候通过喷丝方式添加到第一基体材料2和第二基体材料3的打印层之中。
实施例1
上面介绍的改进前的纤维增强复合材料制备工艺虽然能够制备出强度整体有所改善的纤维增强复合材料，但由于增强纤维5所在面与接合面4是平行关系，增强纤维5并不会对接合面4有特别的增强作用，无法改变接合面4由于材料差异而存在的力学薄弱现状，而且，在以上均质的纤维增强复合材料制造工艺中，没有充分发挥出增材制造技术的材料性能定制化优势，本实施例提供的解决方案将很好，弥补上述不足。
具体地，如图3所示，本实施例一种纤维增强复合材料，包括增材制造的第一基体材料2、增材制造的第二基体材料3，所述第一基体材料2和所述第二基体材料3之间具有接合面4，不同于上述改进前先自下而上打印完第一基体材料2后再打印第二基体材料3的方式，本实施例是同步打印第一基体材料2和第二基体材料3，每个打印层都是包含第一基体材料2和第二基体材料3的复合打印层，通过在同步打印第一基体材料2和第二基体材料3时添加增强纤维5，从而使增强纤维5能够对第一基体材料2和第二基体材料3之间的接合面4进行加强。从图3中可以看到分布于所述第一基体材料2和第二基体材料3的多个水平的单位成型层(厚度标记为t)中的增强纤维5，在每个单位成型层(也可以是其中一部分)中，所述增强纤维5在长度方向上自所述第一基体材料2向所述第二基体材料3延伸，穿过所述接合面4。
显而易见，根据本发明主旨，本发明的增强纤维5并不是细碎或短切纤维，而是指的具有一定长度的连续纤维，至少应超过第一基体材料2和第二基体材料3中任意一个的尺寸(增强纤维5长度延伸所在方向的尺寸)的一半，例如本发明附图中其长度基本与整个复合材料本体尺寸相当。
本发明所称的“打印层”一般理解为增材制造时每打印一层基体材料所形成的打印层，本申请所称的“单位成型层”一般理解为具有一定厚度(t)概念的打印层的集合，至少这个厚度(t)足可容纳增强纤维5的丝径，因此，虽然不排除在某些增材制造方式中一个打印层也足可具有足够的厚度(t)，但优选本发明的“单位成型层”是多个打印层的集合。
本发明中，根据增材制造的产品不同，第一基体材料2和第二基体材料3的材质可以是选自金属材料或有机材料，增强纤维5的材质可以选自金属材料、无机非金属材料或有机材料，可以举出的例子有金属纤维增强金属复合材料、玻璃纤维增强金属复合材料、金属纤维增强塑料复合材料、玻璃纤维增强塑料复合材料等。
通过在单位成型层中使增强纤维5在长度方向上自第一基体材料2向第二基体材料3延伸穿过接合面4，本实施例实现了对异种基体材料接合面4的加强。
本发明要解决的第二个技术问题是纤维增强复合材料的材料性能局部定制问题，这依赖对增强纤维的分布设计来实现。
首先参见图4，图4是图3的侧向视图，从图4中可以看出，在增材制造的复合材料产品中，增强纤维5(单一材质纤维)是非均质分布的，具体地，在每一个(也可以是部分)单独的单位成型层中，多根所述增强纤维5在所述第一基体材料2和第二基体材料3中非均质排列，更具体地，多根所述增强纤维5在所述第一基体材料2和第二基体材料3中是按照越靠近复合材料产品中心部间距越大的方式进行所述的非均质排列，这样设计的原因是该复合材料产品在图示中的两侧外表面是经常承受一般性载荷或机械冲击的表面。
因此，根据本发明的整体原则，在一个单独的单位成型层中，多根所述增强纤维5在所述第一基体材料2和第二基体材料3中可以是按照越靠近复合材料产品受力部位间距越小的方式进行所述的非均质排列。
实施例2
根据实施例1介绍的原则，越靠近复合材料产品受力部位，增强纤维5的排列间距可以越小，本实施例可以参见图5，从图5中也可以看到在复合材料产品倾向受力(F)的部位具有不同于其它部位的增强纤维5分布密度。
本实施例(图5)与实施例1(图4)的不同之处在于，将不同的单位成型层相比，增强纤维5的排列也可以是不同的。
根据实际需要，不同的单位成型层中，增强纤维5的排列位置和/或排列方式都是可以不同的。
实施例3
如图6所示，本实施例示意了在纤维增强复合材料中，不同的单位成型层中的增强纤维5在垂直于打印面的方向上呈非均质分布，这样设计的原因同样是考虑了复合材料产品倾向受力(F)的部位的需要。
实施例4
本发明实施例1-3中的纤维增强复合材料的制备工艺均可以包括以下步骤：
步骤1，在打印基板1上，或者在已存在的预制打印层上，先后或同时打印第一基体材料2和第二基体材料3，形成一个或多个复合打印层，每个复合打印层都包含第一基体材料2区域和第二基体材料3区域。打印第一基体材料2和第二基体材料3的原料根据增材制造方式的不同，可以为丝材、粉材或流质原料，比如无论是金属基体，还是塑料基体，都可以采用熔丝沉积的工艺打印第一基体材料2和第二基体材料3。
步骤2，在步骤1形成的复合打印层上，利用布丝方式添加增强纤维5，所述增强纤维5在长度方向上自所述第一基体材料2向所述第二基体材料3延伸，穿过二者之间的接合线(针对最上面单独的打印层而言，两种基体材料的接合处为“线”)。
本发明的“布丝”应当理解为不受限制的纤维添加工艺，可以是熔融材料喷出/挤出的纤维丝，可以是化学固化材料喷出/挤出的纤维丝，在一些生产工艺中，也可以是常温布丝设备利用已有丝材直接进行裁剪布丝。
步骤3，继续打印第一基体材料2和第二基体材料3，再次形成所述的包含第一基体材料2区域和第二基体材料3区域的一个或多个复合打印层。
步骤4，在步骤3形成的复合打印层上，再次利用喷丝方式添加增强纤维5。
按照步骤3、步骤4重复进行，直到完成整个复合材料产品(结构复杂时，也可能是复合材料产品上的一部分，即：一个目标打印区域)的打印。
从本发明的上述步骤可以看出，本发明所称的“单位成型层”可能是包含了在添加增强纤维5前后所打印的若干个复合打印层。增材制造过程中自下而上密集包含了多个这样的单位成型层，通过在这些单位成型层中使增强纤维5在长度方向上自第一基体材料2向第二基体材料3延伸穿过接合面4，本实施例实现了对异种基体材料接合面4的加强。
为了解决本发明纤维增强复合材料的材料性能局部定制问题，本发明可以将上述打印技术和应力场模拟技术结合起来以对增强纤维的分布进行设计。具体地，在实施打印步骤1之前的建模阶段(标记为步骤S)，至少包含一个对要成型的复合材料产品进行应力场模拟步骤，通过应力场模拟获得复合材料产品的受力分布信息，根据受力分布信息规划单位成型层厚度t和每个单位成型层中的增强纤维5的数量、分布位置、间距值等参数，获得增强纤维5的分布方案。
由于单位成型层并不等同于打印层，因此，在上述步骤S通过结合应力场模拟获得增强纤维5的分布方案之后，还应当在接下来的分层策略和打印路径规划阶段(标记为步骤S′)中，根据第一基体材料2和第二基体材料3的基础打印参数(主要是打印厚度信息)标记每一道布丝工艺的执行层信息，结合该执行层信息与步骤S中获得的增强纤维5的分布方案共同获得增强纤维5的布丝控制方案。
为了更好实现上述增材制造工艺，优选打印第一基体材料2的打印头、打印第二基体材料3的打印头、添加增强纤维5的布丝头均布置在同一台多轴运动打印机构上，通过计算机协同控制增材制造过程。
以上仅为本发明有限几个典型的实施方式。需要说明的是，在以上实施例1-4中，虽然制备的纤维增强复合材料中的基体材料仅以第一、第二基体材料为例，但并不限制实际所制作的纤维增强复合材料中的基体材料种类就只有两种，例如当纤维增强复合材料还包含一种与第一基体材料2或者第二基体材料3临接的第三基体材料时，同样可以使增强纤维在长度方向上自第一/第二基体材料向第三基体材料延伸，穿过临接部位的接合面，制备工艺也依然参照实施例4中所介绍的工艺。这种情况下，其效果是进一步扩展了复合材料的组合范围，而且，由于材料的差异性，出现多接合面(第一、第二基体材料的接合面、第一/第二基体材料与第三基体材料的接合面)，还可以进一步综合利用接合面强度调节的手段例如设定穿过不同接合面的增强纤维的分布密度差异比例来消除交接面强度差异，实现力学性能一致。
本发明中的接合面4虽然在各附图中均示意为了竖直且平直的形状，但这也不能理解为对本发明的限制，基于一些特定需要，比如要制作的零件的自身结构需要，其也可以具有一定的斜度、曲度等。
另外，虽然各附图中未体现，但本发明中的第一、第二基体材料本身也并不必然限制或解释为各自均质的材料，基于一些特定需要比如控制复合材料中增强纤维整体用量的需要，也可以使二者或者其一包含若干个非均质部分，这种非均质部分可以是由第一、第二基体材料按比例混合(或合金化)的部分，打印在两种基体材料之间以预先在一定程度减弱接合面材料差异的方式控制增强纤维整体用量不超限，这种非均质部分也可以是出现在前面提到的含第三基体材料的零件中，如果有这样的部分，其应当包含在本发明所定义的基体材料内。
因此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种纤维增强复合材料，包括：
增材制造的第一基体材料(2)；
增材制造的第二基体材料(3)；
分布于所述第一基体材料(2)和第二基体材料(3)的多个单位成型层中的增强纤维(5)；
其特征在于，
所述第一基体材料(2)和所述第二基体材料(3)之间具有接合面(4)，在所述多个单位成型层中的每个或部分单位成型层中，所述增强纤维(5)在长度方向上自所述第一基体材料(2)向所述第二基体材料(3)延伸，穿过所述接合面(4)；
在增材制造的复合材料产品中，所述增强纤维(5)非均质分布；
在一个单独的单位成型层中，多根所述增强纤维(5)在所述第一基体材料(2)和第二基体材料(3)中按照越靠近复合材料产品受力部位间距越小的方式进行所述的非均质排列，或者，在一个单独的单位成型层中，多根所述增强纤维(5)在所述第一基体材料(2)和第二基体材料(3)中按照越靠近复合材料产品中心部间距越大的方式进行所述的非均质排列。
2.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，在多个不同的单位成型层中，所述增强纤维(5)的排列位置和/或排列方式不同。
3.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，多个不同的单位成型层中的所述增强纤维(5)在垂直于打印面的方向上呈非均质分布。
4.根据权利要求1所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，所述第一基体材料(2)和第二基体材料(3)的材质选自金属材料或有机材料。
5.根据权利要求1或4所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，所述增强纤维(5)的材质选自金属材料、无机非金属材料或有机材料。
6.一种纤维增强复合材料的制备工艺，用于制备权利要求1-5任一项所述的纤维增强复合材料，其特征在于，包括步骤：
步骤1，在打印基板(1)上，或者在已存在的预制打印层上，先后或同时打印第一基体材料(2)和第二基体材料(3)，形成一个或多个复合打印层，每个复合打印层都包含第一基体材料(2)区域和第二基体材料(3)区域；
步骤2，在步骤1形成的复合打印层上，利用布丝方式添加增强纤维(5)，所述增强纤维(5)在长度方向上自所述第一基体材料(2)向所述第二基体材料(3)延伸，穿过二者之间的接合线；
步骤3，继续打印第一基体材料(2)和第二基体材料(3)，再次形成所述的包含第一基体材料(2)区域和第二基体材料(3)区域的一个或多个复合打印层；
步骤4，在步骤3形成的复合打印层上，再次利用布丝方式添加增强纤维(5)；
按照步骤3、步骤4重复进行，直到完成目标打印区域或者整个复合材料产品的打印。
7.根据权利要求6所述的一种纤维增强复合材料的制备工艺，其特征在于，打印第一基体材料(2)和第二基体材料(3)的原料为丝材、粉材或流质原料。
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