CN117626535A - 复合材料预制体的针刺成形方法及刺针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及复合材料预制体制备的技术领域，公开了一种复合材料预制体的针刺成形方法及刺针，该复合材料预制体包括基层和至少一层单元层。具体的，该复合材料预制体的针刺成形方法包括以下步骤：准备纤维线；在基层的上表面铺设一层单元层；将纤维线植入复合材料预制体，使纤维线沿Z向依次穿入单元层和基层内。其中，Z向与基层的上表面呈夹角设置。本申请的复合材料预制体的针刺成形方法及刺针能够获得更高纤维密度的复合材料预制体，提高制得的复合材料预制体的性能。

Description

复合材料预制体的针刺成形方法及刺针

技术领域

本发明涉及复合材料预制体制备的技术领域，具体涉及一种复合材料预制体的针刺成形方法及刺针。

背景技术

针刺成形技术实现了立体织物的低成本织造，除广泛应用于服装衬、土工布、过滤材料、地毯、毛毯及油毡基布等方面外，还被广泛应用于整体毡喉衬、保温毡、刹车盘、热场材料、喷管延伸锥、液体火箭燃烧室等工业方面。

相关技术的针刺成形方法中，通常采用带有倒钩的刺针对纤维网或非织造布反复进行穿刺。当刺针穿刺纤维网时，刺针上的钩刺带着部分纤维在纤维网中移动；当刺针退出纤维网时，钩刺呈顺向，纤维束从钩刺上脱开，留在纤维网中，形成Z向纤维簇，使纤维缠结，形成有一定厚度和强度的复合材料预制体。

然而，一方面，由于相关技术中是利用纤维网本身的纤维束构成Z向纤维，使得形成的复合材料预制体内部纤维密度有限，难以进一步提高复合材料预制体的性能。另一方面，刺针在进行反复穿刺时，会对纤维产生一定的损伤，进一步降低了复合材料预制体的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种复合材料预制体的针刺成形方法及刺针，以解决现有的针刺成形方法制得的复合材料预制体难以提高成品性能的问题。

第一方面，本发明提供了一种复合材料预制体的针刺成形方法，其中，该复合材料预制体包括基层和至少一层单元层。具体的，该复合材料预制体的针刺成形方法包括以下步骤：准备纤维线；在基层的上表面铺设一层单元层；将纤维线植入复合材料预制体，使纤维线沿Z向依次穿入单元层和基层内。其中，Z向与基层的上表面呈夹角设置。

有益效果：本方案中，通过在基层和单元层内另外植入纤维线，构成复合材料预制体内的Z向纤维，而不利用复合材料预制体内部本身的纤维构成Z向纤维，大大增加了复合材料预制体内的纤维密度，能够达到复合材料预制体更高致密度的要求，提高复合材料预制体的总体性能。需要说明的是，本申请对Z向与基层上表面的夹角的角度不做具体限定，只要能够使植入的纤维实现将复合材料预制体结合为整体结构的功能即可。优选的，Z向与基层上表面的夹角可以为90°。

在一种可选的实施方式中，在将纤维线植入复合材料预制体，使纤维线沿Z向依次穿入单元层和基层内的步骤中，包括步骤：准备刺针，并将纤维线穿入刺针内；刺针携带纤维线依次穿入单元层和基层内；将刺针退出，使纤维线刺入单元层和基层的部分留在单元层和基层内。

有益效果：在该方案中，通过将纤维线穿入刺针内，由刺针将纤维线带入单元层和基层内，植入方式简单且可靠性高。植入完成后，刺针退出，将纤维线留在单元层和基层内，刺针无需勾带复合材料预制体的内部纤维，减少对复合材料预制体纤维的损伤，进一步提高复合材料预制体的总体性能。

在一种可选的实施方式中，在准备刺针，并将纤维线穿入刺针内的步骤中：刺针沿轴向设置有贯穿通道，纤维线穿设于贯穿通道内。

有益效果：纤维线沿刺针的轴线穿设于贯穿通道内，不仅能够提高纤维线的植入深度，而且增加了纤维线类型的可选择性，更易于对复合材料预制体的纤维体积分数做准确的设计，实现复合材料预制体的高致密性。

在一种可选的实施方式中，在准备刺针，并将纤维线穿入刺针内的步骤中，纤维线为连续的线状结构，纤维线一端穿入刺针内，且伸出于刺针的针头的长度为10-100mm。

有益效果：采用连续的纤维线，并使纤维线伸出于刺针的针头10-100mm，当刺针携带纤维线刺入单元层和基层内时，同时带动伸出于针头的纤维线部分进入单元层和基层内，使得单次植入便能在复合材料预制体内形成双层的Z向纤维，进一步提高复合材料预制体的纤维密度。

在一种可选的实施方式中，在将刺针退出，使纤维线刺入单元层和基层的部分留在单元层和基层内的步骤之后，还包括步骤：在单元层上表面与刺针的针头之间，剪断纤维线。

有益效果：刺针完成一次纤维线的植入动作后，将连续的纤维线剪断，以便于进行下一次的针刺动作，避免纤维线阻隔于复合材料预制体的各单元层之间，影响复合材料预制体的致密性。

在一种可选的实施方式中，复合材料预制体的针刺成形方法还包括重复实施至少一次以下步骤：将纤维线植入复合材料预制体，使纤维线沿Z向依次穿入单元层和基层内。

有益效果：在基层与单元层之间多次植入纤维线，以提高复合材料预制体内的纤维密度，增强复合材料预制体的结合强度及结构强度。

在一种可选的实施方式中，复合材料预制体的针刺成形方法还包括重复实施至少一次以下步骤：在单元层的上表面铺设另一层单元层；将纤维线植入复合材料预制体，使纤维线沿Z穿入复合材料预制体预设深度。

有益效果：重复实施铺设单元层及植入纤维线的步骤，以便于实现预设规格的复合材料预制体的制造，提高产品的适用性。

在一种可选的实施方式中，在基层的上表面铺设一层单元层的步骤之前，还包括步骤：根据复合材料预制体的纤维体积分数选择单元层的类型；根据基层的模型获取复合材料预制体每层的截面轮廓信息；根据截面轮廓信息，准备分别与每层截面轮廓的尺寸相匹配的多个单元层。

有益效果：本方案中，根据预期制得的复合材料预制体模型及基本参数选择单元层，能精准的达到预期的产品性能，适用性高，且便于实现自动化、大规模的生成织造。

第二方面，本发明还提供了一种刺针，该刺针应用于上述任一实施例的复合材料预制体的针刺成形方法中。

有益效果：因为该刺针应用于上述实施例的复合材料预制体的针刺成形方法中，具有与上述复合材料预制体的针刺成形方法相同的效果，在此不再赘述。

在一种可选的实施方式中，刺针沿轴向设置有贯穿通道，纤维线穿设于贯穿通道内。

有益效果：刺针沿轴向设置有贯穿通道，纤维线穿设于该贯穿通道内，不仅能够提高纤维线的植入深度，而且增加了纤维线类型的可选择性，更易于对复合材料预制体的纤维体积分数做准确的设计，实现复合材料预制体的高致密性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种复合材料预制体的针刺成形方法的流程图；

图2为本发明实施例的一种复合材料预制体的针刺成形方法中纤维线植入前的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种复合材料预制体的针刺成形方法中纤维线植入中的结构示意图；

图4为本发明实施例的一种复合材料预制体的针刺成形方法中纤维线植入后的结构示意图。

附图标记说明：

1、基层；2、单元层；3、纤维线；4、刺针；41、针头。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针刺成形技术实现了立体织物的低成本织造，除被广泛应用于服装衬、土工布、过滤材料、地毯、毛毯及油毡基布等方面外，还被广泛应用于整体毡喉衬、保温毡、刹车盘、热场材料、喷管延伸锥、液体火箭燃烧室等工业方面。

相关技术的针刺成形方法中，通常采用带有倒钩的刺针对纤维网或非织造布反复进行穿刺。当刺针穿刺纤维网时，刺针上的钩刺带着部分纤维在纤维网中移动；当刺针退出纤维网时，钩刺呈顺向，纤维束从钩刺上脱开，留在纤维网中，形成Z向纤维簇，使纤维缠结，形成有一定厚度和强度的复合材料预制体。

然而，一方面，由于相关技术中是利用纤维网本身的纤维束构成Z向纤维，使得形成的复合材料预制体内部纤维密度有限，难以进一步提高复合材料预制体的使用性能。另一方面，刺针在进行反复穿刺时，会对纤维产生一定的损伤，进一步降低了复合材料预制体的性能。

基于此，本发明提供一种复合材料预制体的针刺成形方法及刺针，以提高复合材料预制体的成品性能。

下面结合图1至图4，描述本发明的实施例。

根据本发明的实施例，一方面，提供了一种复合材料预制体的针刺成形方法，其中，该复合材料预制体包括基层1和至少一层单元层2。具体的，参阅图1，该复合材料预制体的针刺成形方法包括以下步骤：

S10:准备纤维线3；

S20:在基层1的上表面铺设一层单元层2；

S30:将纤维线3植入复合材料预制体，使纤维线3沿Z向依次穿入单元层2和基层1内。

其中，Z向与基层1的上表面呈夹角设置。

在该实施例中，通过在基层1和单元层2内另外植入纤维线3，构成复合材料预制体内的Z向纤维，而不利用复合材料预制体内部本身的纤维构成Z向纤维，大大增加了复合材料预制体内的纤维密度，能够达到复合材料预制体更高致密度的要求，提高复合材料预制体的总体性能。此外，采用植入纤维线3形成复合材料预制体的Z向纤维，相较于勾取复合材料预制体内部的纤维形成Z向纤维的方式，能够减少对复合材料预制体内部纤维的损伤，保证复合材料预制体的结构强度。

需要说明的是，本申请对Z向与基层1上表面的夹角的角度不做具体限定，两者之间的角度可以为0-180°之间的任一角度，只要能够使植入的纤维实现将复合材料预制体结合为整体结构的功能即可。优选的，以图1至图3所示为例，Z向指的是图1至图3中所示的高度方向，Z向与基层1上表面的夹角可以为90°。

进一步的，复合材料预制体包括基层1和至少一层单元层2，其中单元层2的具体数量可以根据预期达到的复合材料预制体的厚度做适应性调整。以图1所示为例，单元层2可以为一层，可以理解的是，复合材料预制体单元层2还可以为多层。

在步骤S10中，纤维线3为柔性材质，可以为纤维丝或者纤维束，以便于植入复合材料预制体内。示例性的，纤维线3的材质可以为碳纤维，或者芳纶等。

在步骤S20中，基层1和单元层2的材质及厚度可以相同，也可以不同。在一些实施例中，基层1可以由多层纤维片层组成。以图1至图3所示为例，示例性的，基层1可以为织造层，即由纤维丝或纤维束织造得到的一层或者多层织物构成；单元层2可以为纤维片层，即由纤维片材切割获得。

示例性的，该纤维片材的材质可以是碳纤维平纹布、碳纤维斜纹布、碳纤维毛毡、高硅氧布、高硅氧毡、碳化硅布等。其中，纤维片材的具体材质可以根据复合材料预制体预计得到的纤维体积分数进行选择。

进一步的，按照选择的纤维片材的厚度对预计得到复合材料预制体的三维模型进行分层，获得复合材料预制体每层的截面轮廓信息；根据每层的截面轮廓信息得到对应的单元层2的截面尺寸。

具体的，在一些实施例中，在实施步骤S20之前，还包括步骤：

S20a:根据复合材料预制体的纤维体积分数选择单元层2的类型；

S20b:根据基层1的模型获取复合材料预制体每层的截面轮廓信息；

S20c:根据截面轮廓信息，准备分别与每层截面轮廓的尺寸相匹配的多个单元层2。

其中，步骤S20a中单元层2的类型指的是单元层2的具体材质及厚度。该实施例中，根据基层1的模型及基本参数选择单元层2，能精准的达到预期的产品性能，适用性高，且便于实现自动化、大规模的生成织造。

进一步的，在一些实施例中，步骤S30还包括以下步骤：

S31:准备刺针4，并将纤维线3穿入刺针4内；

S32:刺针4携带纤维线3依次穿入单元层2和基层1内；

S33:将刺针4退出，使纤维线3刺入单元层2和基层1的部分留在单元层2和基层1内。

在该实施例中，通过将纤维线3穿入刺针4内，由刺针4将纤维线3带入单元层2和基层1内，植入方式简单且可靠性高。植入完成后，刺针4退出，将纤维线3留在单元层2和基层1内，刺针4无需勾带复合材料预制体的内部纤维，减少对复合材料预制体纤维的损伤，进一步提高复合材料预制体的总体性能。

更进一步的，在一些实施例中，参阅图1至图3，步骤S31中的刺针4沿轴向设置有贯穿通道，纤维线3穿设于贯穿通道内，以提高纤维线3的植入深度。此外，贯穿通道内能够容置多种规格的纤维线3，增加了纤维线3类型的可选择性，更易于对复合材料预制体的纤维体积分数做准确的设计，实现复合材料预制体的高致密性。

示例性的，如图1至图3所示，刺针4可以构造为圆柱状结构，其内部中空形成上述贯穿通道。优选的，刺针4的直径可以选择在0.5mm-1.5mm的范围内。

示例性的，刺针4的一端具有尖刺部，该尖刺部形成针头41，以便于刺针4刺入复合材料预制体内。示例性的，刺针4的外周壁为光滑的弧面结构，以减少针刺过程中对复合材料预制体的纤维损伤。

此外，本申请对步骤S32中，刺针4穿入单元层2和基层1内的深度不做具体限定，只要能够实现单元层2和复合材形成为整体结构的功能即可。以图2所示为例，刺针4可以穿透单元层2和基层1。

进一步，在步骤S33中，示例性的，以图4所示为例，留在单元层2和基层1内的纤维线3沿Z向穿透该单元层2和基层1。

更进一步的，在一些实施例中，步骤S31中的纤维线3为连续的线状结构，纤维线3一端穿入刺针4内，且伸出于刺针4的针头41的长度为10-100mm。采用连续的纤维线3，并使纤维线3伸出于刺针4的针头10-100mm，当刺针4携带纤维线3刺入单元层2和基层1内时，同时带动伸出于针头41的纤维线3部分进入单元层2和基层1内，使得单次植入便能在复合材料预制体内形成双层的Z向纤维，进一步提高复合材料预制体的纤维密度。

具体的，纤维线3可以为连续的纤维束，或者连续的纤维丝。纤维线3伸出于针头41的长度略大于刺针4预计穿入单元层2和基层1的深度，以便于在复合材料预制体内形成较为对称的Z向纤维，保证复合材料预制体内纤维密度的均匀性。

示例性的，在步骤31中，可以采用自动送丝装置自动将纤维线3穿入刺针4内，并预留10mm-100mm的伸出长度。

以图4所示为例，纤维线3在复合材料预制体内形成的Z向纤维呈V形结构，不仅均匀性高，且连接性更好，提高了复合材料预制体的整体性。

在一些实施例中，参阅图4，在完成步骤S33后，还包括步骤：

S34:在单元层2上表面与刺针4的针头41之间，剪断纤维线3。

该实施例中，刺针4完成一次纤维线3的植入动作后，将连续的纤维线3剪断，以便于进行下一次的针刺动作，避免纤维线3阻隔于复合材料预制体的各单元层2之间，影响复合材料预制体的致密性。优选的，将纤维线3在尽量靠近单元层2上表面的位置处剪断。

进一步的，一些实施例中，复合材料预制体的针刺成形方法还包括重复实施至少一次以下步骤：

S30:将纤维线3植入复合材料预制体，使纤维线3沿Z向依次穿入单元层2和基层1内。

在该实施例中，基层1与单元层2之间可以多次植入纤维线3，以提高复合材料预制体内的纤维密度，增强复合材料预制体的结合强度及结构强度。其中，重复实施步骤S30的次数可以根据复合材料预制体的针织密度要求获得。

在一些实施例中，复合材料预制体的针刺成形方法还包括重复实施至少一次以下步骤：

S40:在单元层2的上表面铺设另一层单元层2；

S50:将纤维线3植入复合材料预制体，使纤维线3沿Z穿入复合材料预制体预设深度。

重复实施铺设单元层2及植入纤维线3的步骤，以便于实现预设规格的复合材料预制体的制造，提高产品的适用性。其中，重复实施步骤S40和S50的次数可以根据预计得到的复合材料预制体的三维模型获得。

根据本发明的实施例，另一方面，还提供了一种刺针4，该刺针4应用于上述任一实施例的复合材料预制体的针刺成形方法中。通过在基层1和单元层2内另外植入纤维线3，构成复合材料预制体内的Z向纤维，以增加了复合材料预制体内的纤维密度，达到复合材料预制体更高致密度的要求，提高复合材料预制体的总体性能。

具体的，在一些实施例中，参阅图1至图3，刺针4沿轴向设置有贯穿通道，纤维线3穿设于贯穿通道内，以提高纤维线3的植入深度。此外，贯穿通道内能够容置多种规格的纤维线3，增加了纤维线3类型的可选择性，更易于对复合材料预制体的纤维体积分数做准确的设计，实现复合材料预制体的高致密性。

示例性的，如图1至图3所示，刺针4可以构造为圆柱状结构，其内部中空形成上述贯穿通道。优选的，刺针4的直径可以选择在0.5mm-1.5mm的范围内。

示例性的，刺针4的一端具有尖刺部，该尖刺部形成针头41，以便于刺针4刺入复合材料预制体内。示例性的，刺针4的外周壁为光滑的弧面结构，以减少针刺过程中对复合材料预制体的纤维损伤。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种复合材料预制体的针刺成形方法，所述复合材料预制体包括基层(1)和至少一层单元层(2)，其特征在于，包括以下步骤：

准备纤维线(3)；

在所述基层(1)的上表面铺设一层所述单元层(2)；

将所述纤维线(3)植入所述复合材料预制体，使所述纤维线(3)沿Z向依次穿入所述单元层(2)和所述基层(1)内；

其中，所述Z向与所述基层(1)的上表面呈夹角设置。

2.根据权利要求1所述的复合材料预制体的针刺成形方法，其特征在于，在所述将所述纤维线(3)植入所述复合材料预制体，使所述纤维线(3)沿Z向依次穿入所述单元层(2)和所述基层(1)内的步骤中，包括步骤：

准备刺针(4)，并将所述纤维线(3)穿入所述刺针(4)内；

所述刺针(4)携带所述纤维线(3)依次穿入所述单元层(2)和所述基层(1)内；

将所述刺针(4)退出，使所述纤维线(3)刺入所述单元层(2)和所述基层(1)的部分留在所述单元层(2)和所述基层(1)内。

3.根据权利要求2所述的复合材料预制体的针刺成形方法，其特征在于，在所述准备刺针(4)，并将所述纤维线(3)穿入所述刺针(4)内的步骤中：

所述刺针(4)沿轴向设置有贯穿通道，所述纤维线(3)穿设于所述贯穿通道内。

4.根据权利要求2或3所述的复合材料预制体的针刺成形方法，其特征在于，在所述准备刺针(4)，并将所述纤维线(3)穿入所述刺针(4)内的步骤中，所述纤维线(3)为连续的线状结构，所述纤维线(3)一端穿入所述刺针(4)内，且伸出于所述刺针(4)的针头(41)的长度为10-100mm。

5.根据权利要求4所述的复合材料预制体的针刺成形方法，其特征在于，在所述将所述刺针(4)退出，使所述纤维线(3)刺入所述单元层(2)和所述基层(1)的部分留在所述单元层(2)和所述基层(1)内的步骤之后，还包括步骤：

在所述单元层(2)上表面与所述刺针(4)的针头(41)之间，剪断所述纤维线(3)。

6.根据权利要求1所述的复合材料预制体的针刺成形方法，其特征在于，所述复合材料预制体的针刺成形方法还包括重复实施至少一次以下步骤：

将所述纤维线(3)植入所述复合材料预制体，使所述纤维线(3)沿Z向依次穿入所述单元层(2)和所述基层(1)内。

7.根据权利要求1或6所述的复合材料预制体的针刺成形方法，其特征在于，所述复合材料预制体的针刺成形方法还包括重复实施至少一次以下步骤：

在所述单元层(2)的上表面铺设另一层所述单元层(2)；

将所述纤维线(3)植入所述复合材料预制体，使所述纤维线(3)沿Z穿入所述复合材料预制体预设深度。

8.根据权利要求1或6所述的复合材料预制体的针刺成形方法，其特征在于，所述在所述基层(1)的上表面铺设一层所述单元层(2)的步骤之前，还包括步骤：

根据所述复合材料预制体的纤维体积分数选择所述单元层(2)的类型；

根据所述基层(2)的模型获取所述复合材料预制体每层的截面轮廓信息；

根据所述截面轮廓信息，准备分别与每层所述截面轮廓的尺寸相匹配的多个所述单元层(2)。

9.一种刺针，其特征在于，应用于权利要求1-8任一项所述的复合材料预制体的针刺成形方法中。

10.根据权利要求9所述的刺针，其特征在于，所述刺针(4)沿轴向设置有贯穿通道，所述纤维线(3)穿设于所述贯穿通道内。