[發明專利]基于數字化導向模版的復合材料預制件及其制備方法

有效

• 申請號: 201210576892.0
• 申請日: 2012-12-26
• 公開（公告）號: CN103112180A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 單忠德;劉豐;陳思思
• 申請（專利權）人: 機械科學研究總院先進制造技術研究中心
• 主分類號: B29C70/68
• 分類號: B29C70/68;B29B11/00
• 代理公司: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240
• 代理人: 吳貴明;張永明

技術領域

本發明涉及復合材料制備技術領域，具體而言，涉及一種基于數字化導向模版的復合材料預制件及其制備方法。

背景技術

三維織造復合材料預制件的制作是三維織造復合材料制備的基礎，而且預制件的性能（包括制作方法和工藝）在根本上決定了所制作的復合材料的性能。所以從20世紀80年代以來，對復合材料預制件織造成形方法能織造大尺寸、形狀復雜、高性能、輕量化的預制件的要求也越來越高。目前預制件的形式也是多種多樣的，主要分為三維編織預制件、正交三向編織預制件、縫合織物預制件等。

其中，三維編織預制件是通過一組帶有編織紗的錠子在編織平面按設定的運動程序不斷改變相互間的位置使編織紗在空間相互交纏形成的立體織物。由于采用三維編織工藝制作的增強預制件顯著地提高了材料的強度和剛度，使材料具有優良的抗沖擊損傷性能、力學性能和耐燒蝕性能，特別是層間連接強度遠遠優于其它層合材料。然而，對于結構復雜的預制件，需通過在編織過程中改變纖維排布或數量，使得加工工序復雜化，不易于自動化控制，所以三維編織技術更多地只用于加工截面尺寸變化較小的預制件。

正交三向織物是由沿空間直角坐標X、Y、Z三個方向的碳纖維在空間不斷重疊延伸而形成的立體織物。美國、澳大利亞、日本等國家開展了較多的研究。Shikishima?Canvas公司開發的正交交織技術工藝簡單，成本低，可在傳統的二維編織機上加以改裝以實現加工。然而，該技術的不足之處是預制件在分層上僅有幾排纖維束互相交織，分層的厚度受到了限制，不適用于大尺寸制件的加工。

縫合織物預制件是利用成熟的縫紉工藝將二維平面織物加工成三維預制件，將得到的預制件經樹脂浸漬后最終形成制件。其生產工藝簡單，成本較低，被各國認定是一種有潛力的加工技術。此方法在分層上僅有幾排纖維束互相交織，并且由于受到縫合工藝的限定，僅被應用在加工垂直方向的縫合，對于曲面預制件的加工仍有局限性，對預制件的厚度有一定的限制。

三維織造預制件是以整體織物作為增強體的復合材料，是20世紀80年代發展起來的一種新型復合材料織造成形技術。采用此技術可以直接編織出各種形狀、不同尺寸的整體異型預制件。用這些預制件制成的三維織造復合材料制件不需再加工，這就避免了由于加工所造成的纖維損傷。而且采用此方法制備的三維織造復合材料具有高強度、基體損傷不易擴展、高抗沖擊性能和綜合力學性能好，以及耐燒蝕、抗高溫、熱絕緣性能好等獨特的優點，目前已經引起了美國、德國等世界各國的關注。

在現有技術中，首先由于傳統三維織造的工藝和織造機器本身的尺寸限制，現階段三維織造預制件厚度難以超過50mm，難以實現厚度較大的預制件織造。同時，由于現有技術中用于三維織造預制件的纖維通常是帶狀的，在三維織造預制件的織造過程中在拉力的作用下，纖維較寬的面通常是貼附在導向套上，使纖維層與層之間的間隙較大，即使后續還有壓實的工序，預制件的纖維體積含量仍得不到很大的提高，因此，三維織造預制件的力學性能的提高也受到阻礙。

發明內容

本發明旨在提供一種基于數字化導向模版的復合材料預制件及其制備方法，以解決現有技術中預制件的厚度受限和纖維體積含量得不到較大提高的技術問題。

為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種基于數字化導向模版的復合材料預制件。該復合材料預制件包括多根導向套和纏繞在多根導向套間的纖維，纖維呈扁平帶狀，纖維沿多根導向套之間的間隙穿行鋪設并形成多個疊置的鋪設層，纖維的帶面在鋪設層內延伸，導向套的延伸方向與鋪設層垂直。

進一步地，多根導向套按照預定路徑排列形成預定形狀。

進一步地，每相鄰的3根導向套形成三角形，三角形經陣列后組成數字化導向模版，纖維在多根導向套間沿三角形的邊所在的直線鋪放，且纖維纏繞在位于預定形狀外周的導向套上。

進一步地，每相鄰的4根導向套形成四邊形，四邊形經陣列后組成數字化導向模版，纖維在多根導向套間沿四邊形的邊所在的直線或對角線所在的直線鋪放，且纖維纏繞在位于預定形狀外周的導向套上。

進一步地，每相鄰的6根導向套形成六邊形，六邊形經陣列后組成數字化導向模版，纖維在多根導向套間沿六邊形的邊所在的直線或對角線所在的直線鋪放，且纖維纏繞在位于預定形狀外周的導向套上。

進一步地，導向套的外表面上設置有用于定位纖維的定位凹槽。

進一步地，導向套為中空結構或實心結構。