CN117400609B - 纤维增强复合材料及其制备方法和应用 - Google Patents

纤维增强复合材料及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

纤维增强复合材料及其制备方法和应用，其中纤维增强复合材料包括由多种不同基体材料打印而成的多种增材制造基体、形成在两种不同增材制造基体之间的第一打印接合面和第二打印接合面，第二打印接合面具有不同于第一打印接合面的结合强度。还包括分布于多种增材制造基体中的多条增强纤维，在长度方向上延伸穿过第一打印接合面和第二打印接合面。其中，延伸穿过第一打印接合面的增强纤维与延伸穿过第二打印接合面的增强纤维具有不同的分布密度，使得第一打印接合面区域和第二打印接合面区域具有趋向相同的力学性能。该纤维增强复合材料通过增材制造工艺结合纤维布丝工艺制备，过程控制灵活，实施手段简单，产品可用作承力零件。

Description

纤维增强复合材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及复合材料技术领域，具体为纤维增强复合材料及其制备方法和应用，可用于制备高力学性能的纤维增强金属承力零件、纤维增强有机材料承力零件等。
背景技术
当采用增材制造技术制造纤维增强复合材料时，如果基体材料由多种不同的基体材料(例如可熔接性不佳的金属)构成，可以通过同步打印多种基体材料的方式(打印Z向平行于基体材料之间的接合面)来代替先后打印各个基体材料的方式(打印Z向垂直于基体材料之间的接合面)以提高不同的基体材料之间的接合面的结合强度，这是因为增强纤维是在逐层打印基体材料的时候通过喷丝方式添加到预先确定的打印层，打印Z向平行于基体材料之间的接合面时，增强纤维的布设正好是垂直于基体材料之间的接合面，增强纤维就能对不同的基体材料之间的接合面起到显著的增强作用，弥补接合面由于材料差异而存在的力学性能的薄弱。
产业中应用的多基体的复合材料并不仅仅是有限的两种基体材料的复合，也有可能是三种或更多种基体材料的复合，这种情况下，就可能出现两种以上的由不同基体材料临接而产生的接合面，并且力学性能各异，当作为承力零件使用时，不同的结合面区域的力学性能差异明显，零件整体性能不可控，也容易导致零件在不期望位置失效。目前现有技术已经公开的相关研究中，对多基体的纤维增强复合材料不同基体接合面的结合强度的研究并不多，即使偶有报道，也主要局限在由有限的两种基体所呈现的单一接合面的简单情形，没有能够给出如何控制多个不同基体材料的接合面之间的力学性能一致性的有效方案。
发明内容
本发明的目的是提出一种纤维增强复合材料及其制备方法和应用，借助增材制造工艺的材质/性能定制化优势结合纤维增强复合材料自身特点，解决背景技术提出的问题。
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：
由多种不同基体材料打印而成的多种增材制造基体；
形成在两种不同增材制造基体之间的第一打印接合面；
形成在两种不同增材制造基体之间的第二打印接合面，所述第二打印接合面具有不同于所述第一打印接合面的结合强度；
分布于多种增材制造基体中的多条增强纤维，至少一部分增强纤维在长度方向上延伸穿过所述第一打印接合面，至少一部分增强纤维在长度方向上延伸穿过所述第二打印接合面；
其中，延伸穿过所述第一打印接合面的增强纤维与延伸穿过所述第二打印接合面的增强纤维具有不同的分布密度，所述不同的分布密度使得所述第一打印接合面区域和所述第二打印接合面区域具有趋向相同的力学性能。
上述一种纤维增强复合材料，所述力学性能包括抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗拉强度、抗扭强度中的至少一种。
上述一种纤维增强复合材料，所述的分布密度通过在材料试验机上对样品进行加载试验确定。
上述一种纤维增强复合材料，形成所述第一打印接合面的两种增材制造基体的两种基体材料中，有一种基体材料与形成所述第二打印接合面的两种增材制造基体的两种基体材料中的其中一种是相同材料。
上述一种纤维增强复合材料，至少一部分增强纤维同时延伸穿过所述第一打印接合面和第二打印接合面。
上述一种纤维增强复合材料，至少一部分增强纤维仅延伸穿过所述第一打印接合面和第二打印接合面中的其中之一。
上述一种纤维增强复合材料，在所述纤维增强复合材料的打印面上和/或高度方向上，至少部分区域具有非均质分布的增强纤维。
上述一种纤维增强复合材料，所述基体材料为金属或塑料，所述增强纤维为金属纤维、无机非金属纤维或有机纤维。
用于制备如上所述的纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，在打印基板或者上一打印层上，先后或同时打印多种不同基体材料形成一个或多个复合打印层，每个复合打印层上的每两种不同基体材料之间形成打印接合线；
步骤2，在步骤1形成的最上面的复合打印层上，利用布丝方式添加增强纤维，所述增强纤维在长度方向上延伸穿过最上面的复合打印层上的至少一个所述打印接合线；
步骤3，继续打印多种不同基体材料，再次形成包含所述打印接合线的一个或多个复合打印层；
步骤4，在步骤3形成的最上面的复合打印层上，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，直到完成设定的打印层数。
一种纤维增强复合材料在承力零件中的应用，所述纤维增强复合材料为如上所述的纤维增强复合材料或者如上所述的制备方法所制备的纤维增强复合材料。
有益效果：
本发明提供的纤维增强复合材料，在利用增强纤维对不同基体材料接合面进行力学强化的同时，充分发挥增材制造工艺的材质/性能定制化优势，结合纤维增强复合材料自身特点，对复合材料中两种以上的由不同基体材料临接而产生的接合面进行力学性能的调节，确保了纤维增强复合材料作为承力零件使用时本体力学性能的一致性。
制备本发明的纤维增强复合材料时，在打印单个打印层时就可以先后或同时打印多种不同基体材料形成两条或更多条由不同基体材料临接而成的打印接合线，然后利用布丝方式添加增强纤维并使增强纤维在长度方向上延伸穿过该两条或更多条打印接合线，在逐层打印过程中，只需要根据前期验证结果合理预设穿过不同打印接合线的增强纤维分布密度，就能使得不同的打印接合面区域力学性能趋向相同，过程控制灵活，实施手段简单。
附图说明
图1为实施例1的纤维增强复合材料及其制备方法原理示意图。
图2为图1的纤维增强复合材料不同接合面区域的承力状态示意图。
图3为实施例2的纤维增强复合材料及其制备方法原理示意图。
图4为实施例3的纤维增强复合材料及其制备方法原理示意图。
图中附图标记含义：
第一增材制造基体1；第二增材制造基体2；A衔接部21；第三增材制造基体3；B衔接部31；打印基板4；第一打印接合面5；第二打印接合面6；增强纤维7。
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。
实施例1
一种纤维增强复合材料，包括：由多种不同基体材料打印而成的多种增材制造基体，如图1所示，图1为实施例1的纤维增强复合材料及其制备方法原理示意图，该实施例中提供由三种不同基体材料打印而成的第一增材制造基体1、第二增材制造基体2和第三增材制造基体3。
本发明中的基体材料材质在满足发明要旨的情况下一般不作限制，但优选为较为常用的金属材料，如轻合金，也可以是塑料材料，相应的增强纤维7可以为金属纤维、无机非金属纤维或有机纤维，从而该纤维增强复合材料可以是纤维增强金属复合材料、纤维增强塑料复合材料、纤维增强金属-塑料复合材料，当为前两种时，第一增材制造基体1、第二增材制造基体2和第三增材制造基体3的基体材料也应当是不同种类的金属(纯金属或合金)材料或者不同种类的塑料材料。
其中，第一打印接合面5形成在第一增材制造基体1和第二增材制造基体2之间，第二打印接合面6形成在第二增材制造基体2和第三增材制造基体3之间，由于第一增材制造基体1的材料是不同于第三增材制造基体3的材料的，从而，它们各自与第二增材制造基体2临接后形成的所述第一打印接合面5和第二打印接合面6具有不同的结合强度。
多条增强纤维7分布于第一增材制造基体1、第二增材制造基体2和第三增材制造基体3中，从图中可以看出一部分增强纤维7在长度方向上延伸穿过所述第一打印接合面5，一部分增强纤维7在长度方向上延伸穿过所述第二打印接合面6，而延伸穿过所述第一打印接合面5的增强纤维7与延伸穿过所述第二打印接合面6的增强纤维7明显具有不同的分布密度。本发明的目的正是通过多次打印试验，通过上述增强纤维7的不同的分布密度比例来使得所述第一打印接合面5区域和所述第二打印接合面6区域具有趋向相同的力学性能。
显而易见，根据本发明主旨，本发明的增强纤维7应当是具有一定长度的连续纤维，最好是超过其所在的增材制造基体中任意一个的尺寸(增强纤维7长度延伸所在方向的尺寸)的一半。
图2示意了将图1中的纤维增强复合材料用作承力零件时的在两处打印接合面区域的受力状态，根据对材料力学性能的检测，由于第二增材制造基体2和第三增材制造基体3之间的结合力相较于第二增材制造基体2和第一增材制造基体1之间的结合力弱，第二打印接合面6的力学性能比如抗压强度或者抗弯强度要弱于第一打印接合面5的对应强度值，通过增加每个单位厚度t内延伸穿过第二打印接合面6的增强纤维7数量，使得在整个复合材料中第二打印接合面6区域的增强纤维7的分布密度高于第一打印接合面5区域的增强纤维7的分布密度，从而二者之间强度值差异被减小甚至消除，趋向相同。这里“趋向相同”不应理解为完全相等，应当是在一定可接受范围内的接近或相同即可，比如特定一种或几种力学性能试验值差异在5％以内。
这里“力学性能”主要指机械强度，不限于前面提到的抗压强度、抗弯强度，也可以是抗拉强度、抗剪强度、抗扭强度等试验值中的至少一种。具体所述的增强纤维7的分布密度以及两处打印接合面区域不同分布密度的具体比例都可以通过在材料试验机上对样品进行加载试验，根据多次试验所记录的试验值进行分析、调整。
虽然本实施例中以较为简单的第一增材制造基体1、第二增材制造基体2和第三增材制造基体3复合的情形进行的说明，但在实际应用中，不排除在同一承力零件中包含更多种增材制造基体，在这种情况下，相较于实施例1中两处接合面存在一个共同材质的构造基体(即中间的第二增材制造基体2)，在材质上，形成第一打印接合面的两种增材制造基体也可以完全不同于形成第二打印接合面的两种增材制造基体，不再详细举例。也基于此原因，本实施例中将用于制备纤维增强复合材料的方法概括为如下步骤：
步骤1，在打印基板4或者上一打印层上，先后或同时打印多种不同基体材料形成一个或多个复合打印层，每个复合打印层上的每两种不同基体材料之间形成打印接合线。
步骤2，在步骤1形成的最上面的复合打印层上，利用布丝方式添加增强纤维7，所述增强纤维7在长度方向上延伸穿过最上面的复合打印层上的至少一个所述打印接合线。
步骤3，继续打印多种不同基体材料，再次形成包含所述打印接合线的一个或多个复合打印层。
步骤4，在步骤3形成的最上面的复合打印层上，再次利用布丝方式添加增强纤维7。
按照步骤3、步骤4重复进行，直到完成设定的打印层数。
现有技术中一些多基体复合材料的增材制造方式是自下而上打印每个增材制造基体，本实施例是同步打印多个增材制造基体，比如像图中所示的那样，每个打印层都包含第一增材制造基体1、第二增材制造基体2和第三增材制造基体3，通过在同步打印以上增材制造基体时添加增强纤维7，从而使增强纤维7能够延伸穿过第一打印接合面5和第二打印接合面6，对第一打印接合面5和第二打印接合面6进行加强，这是本发明实施的一个基础。
打印以上增材制造基体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。增强纤维的布丝方式可以是熔融材料或者化学固化材料的喷、挤等工艺，布丝方案应当事先确定，与增材制造的分层策略和打印路径一起规划，优选将添加增强纤维7的布丝头与增材制造的一个或多个打印头共用一套运动控制系统。
另外，图1中被虚线间隔成多个的厚度为t的部分为每个单位厚度的成型层，其一般为多个实际打印层的集合，该厚度值t的指定原则是至少足可容纳增强纤维7的丝径。
上述步骤中每一打印层的打印接合线在最终的打印零件中形成前述的不同打印接合面(第一打印接合面5、第二打印接合面6等)。
实施例2
在实施例1中对增强纤维7的分布密度以及两处打印接合面区域不同分布密度的具体比例进行分析、验证的过程中，由于打印接合面的力学强度并不完全取决于增强纤维7的分布密度，而是还需要综合考虑增强纤维7的分布位置和分布规律。相较于一般所采取的均质分配增强纤维7的手段，还可以参见图3，图3为本实施例2的纤维增强复合材料及其制备方法原理示意图，在本实施例提供的增强纤维7分配方案中，不仅考虑了两处打印接合面区域的密度分配，还通过至少在纤维增强复合材料的打印高度方向上使增强纤维7(同种纤维)非均质分布来调节零件的承力需要。
如图3所示，在整个纤维增强复合材料顶部若干个单位厚度t的成型层中，增强纤维7的分布密度都要高于其它部位，这可以满足该零件的该顶部区域更容易受到外力加载或冲击的工作需要。
根据实际需要，在纤维增强复合材料的打印面上和/或高度方向上，在材料整个区域或者部分区域，均可以对增强纤维7进行非均质的分布设计。
由于本实施例的辅助手段是为了配合所生产的产品的受力区域和力学性能的进一步定制化需求，因此，对实施例1中已经介绍的主旨方案和权利不构成约束性限定。
实施例3
纤维增强复合材料在产业生产时，一般都有限定的基体和纤维配比，比如某种纤维增强金属复合材料零件整体限定增强纤维在整个材料中的质量占比在10-35％范围，细化到每个系列等级增强纤维的占比则更严格，在需要补强的某一个打印接合面比如实施例1或实施例2的第二打印接合面6上，如果需要依赖大幅度调高增强纤维7的密度来对第二打印接合面6补强才能与第一打印接合面5力学性能趋同，则很容易导致该复合材料零件产品的整体增强纤维含量超标。
本实施例可提供一种能够解决上述增强纤维含量超标问题的手段，可保证本发明提出的手段能够在满足基本的技术指标(整体纤维含量)的情况下得以实施。具体地，在本实施例的手段中，为了满足某一打印接合面区域在可控的纤维密度下提升结合力，首先在打印该打印接合面所对应的两种增材制造基体时，就先在两种增材制造基体临接一侧使每种增材制造基体都包含至少一个衔接部，该衔接部为混合材质(例如对应于两侧的单质金属，则该衔接部为合金)以其所在侧的增材制造基体的基体材料为主，以其所临接侧的增材制造基体的基体材料为辅，两种增材制造基体先与各自的衔接部相连，就能初步改善因为两种基体材料的差异而导致的力学性能偏差过大情况，从而为控制该打印接合面处的增强纤维密度提供在先条件。
参见图4，图4为本实施例的原理示意，具体地，在本实施例的手段中，为了满足第二打印接合面6在可控的纤维密度下提升结合力，首先在打印该打印接合面所对应的第二增材制造基体2和第三增材制造基体3时，就先在第二增材制造基体2一侧使第二增材制造基体2包含一个A衔接部21，在第三增材制造基体3一侧使第三增材制造基体3包含一个B衔接部31，该A衔接部21和B衔接部31都是由来自第二增材制造基体2的基体材料和来自第三增材制造基体3的基体材料所构成的混合材料(对应于金属，则为合金)，不同之处在于A衔接部21以其所在侧的第二增材制造基体2的基体材料为主、以其所临接的第三增材制造基体3的基体材料为辅(比如重量比例在8：2到6：4)，B衔接部31以其所在侧的第三增材制造基体3的基体材料为主、以其所临接的第二增材制造基体2的基体材料为辅(比如重量比例在8：2到6：4)。
第二增材制造基体2和第三增材制造基体3先与各自的衔接部A衔接部21、B衔接部31相连，就能初步改善因为两种基体材料的差异而导致的力学性能偏差过大情况，从而为控制第二打印接合面6处的增强纤维7的密度提供了在先条件，比如可以避免在每个单位厚度t的成型层中植入超量的增强纤维7。
由于本实施例的辅助手段是为了配合所生产的产品的基体纤维配比指标，满足生产中的更细化的技术要求，因此，对实施例1、实施例2中已经介绍的主旨方案和权利不构成约束性限定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，其特征在于，包括：
由多种不同基体材料打印而成的多种增材制造基体（1、2、3）；
形成在两种不同增材制造基体（1、2）之间的第一打印接合面（5）；
形成在两种不同增材制造基体（2、3）之间的第二打印接合面（6），所述第二打印接合面（6）具有不同于所述第一打印接合面（5）的结合强度；
分布于多种增材制造基体（1、2、3）中的多条增强纤维（7），至少一部分增强纤维（7）在长度方向上同时延伸穿过所述第一打印接合面（5）和第二打印接合面（6），至少一部分增强纤维（7）在长度方向上仅延伸穿过所述第一打印接合面（5）和第二打印接合面（6）中的其中之一；
其中，延伸穿过所述第一打印接合面（5）的增强纤维（7）与延伸穿过所述第二打印接合面（6）的增强纤维（7）具有不同的分布密度，所述不同的分布密度使得所述第一打印接合面（5）区域和所述第二打印接合面（6）区域具有趋向相同的力学性能。
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，所述力学性能包括抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗拉强度、抗扭强度中的至少一种。
3.根据权利要求1或2所述的一种纤维增强复合材料，其特征在于，所述的分布密度通过在材料试验机上对样品进行加载试验确定。
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，在所述纤维增强复合材料的高度方向上，至少部分区域具有非均质分布的增强纤维（7）。
5.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，所述基体材料为塑料或金属，所述增强纤维（7）为有机纤维、金属纤维或无机非金属纤维。
6.用于制备权利要求1-5任一项所述的纤维增强复合材料的制备方法，其特征在于，包括步骤：
步骤1，在打印基板（4）或者上一打印层上，先后或同时打印多种不同基体材料形成一个或多个复合打印层，每个复合打印层上的每两种不同基体材料之间形成打印接合线；
步骤2，在步骤1形成的最上面的复合打印层上，利用布丝方式添加增强纤维（7），所述增强纤维（7）在长度方向上延伸穿过最上面的复合打印层上的至少一个所述打印接合线；
步骤3，继续打印多种不同基体材料，再次形成包含所述打印接合线的一个或多个复合打印层；
步骤4，在步骤3形成的最上面的复合打印层上，再次利用布丝方式添加增强纤维（7）；
按照步骤3、步骤4重复进行，直到完成设定的打印层数。
7.一种纤维增强复合材料在承力零件中的应用，其特征在于，所述纤维增强复合材料为权利要求1-5任一项所述的纤维增强复合材料或者权利要求6所述的制备方法所制备的纤维增强复合材料。
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