[發明專利]一種多結構復合材料預制體及其復合成形制造方法

有效

• 申請號: 201810947207.8
• 申請日: 2018-08-20
• 公開（公告）號: CN109263168B
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 單忠德;張群;孫正;劉豐;李志坤;繆云良
• 申請（專利權）人: 機械科學研究總院集團有限公司;北京機科國創輕量化科學研究院有限公司;江蘇天鳥高新技術股份有限公司
• 主分類號: B32B9/00
• 分類號: B32B9/00;B32B9/04;B32B15/14;B32B37/10;B32B37/00;B32B38/14
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本發明公開了一種由底層編織結構、中層點陣結構、上層編織結構和外層短纖維結構組成的多結構復合材料預制體，其中上層、底層編織結構通過編織工藝成形，中層點陣結構通過連續纖維打印工藝成形，外層短纖維結構通過水刺工藝附著在上層編織結構上，形成不分層的、包含多個結構的復合材料預制體。該方法具有成形周期短、操作簡單、成本低、適應性強等優點。

技術領域

本發明涉及一種多結構復合材料預制體結構及其復合成形制造方法，屬于復合材料預制體制備領域。該方法通過編織工藝、打印工藝和水刺工藝的組合，可制備出由編織結構、點陣結構和短纖維結構組成的復合材料預制體。

背景技術

復合材料構件具有高比強度、高比剛度、抗沖擊性能好以及能夠實現材料/設計/制造一體化等優點，在航空航天、交通運輸和船舶運輸等領域得到廣泛應用。傳統復合材料構件主要由單一結構組成，成形工藝也主要有單一工藝完成。隨著復合材料應用范圍越來越廣泛，復合材料朝著結構功能一體化方向發展，傳統工藝方法很難滿足應用要求。

多結構復合材料構件不僅具有單一結構復合材料構件的優異性能，同時能夠充分利用多種結構的優點，使其性能更加優異，能夠在更復雜應力條件下使用，適用領域更廣泛。比如一種承力部件，既要求承受復雜靜力載荷，又要滿足高溫重載使用條件，單一結構復合材料構件難以滿足使用要求，迫切需求多結構復合材料構件。但是現有工藝方法難以實現多結構復合材料構件成形。

發明內容

為解決現有復合材料構件材料體系單一、結構簡單等問題，本發明提供一種多結構復合材料預制體及其復合成形制造方法，通過編織工藝、打印工藝和水刺工藝的組合，可制備出由編織結構、點陣結構和短纖維結構組成的復合材料預制體。該方法具有成形周期短、操作簡單、成本低、適應性強等優點。

本發明所采用的技術方案如下：

一種多結構復合材料預制體，該多結構復合材料預制體由底層編織結構、中層點陣結構、上層編織結構和外層短纖維結構組成；其中上層編織結構和底層編織結構通過中層點陣結構連接成一體，外層短纖維結構附著在上層編織結構上，構成多結構復合材料預制體。

底層編織結構和上層編織結構由X向紗線、Y向紗線和Z向紗線組成，Z向紗線與X向紗線垂直，Z向紗線和Y向紗線垂直。

中層點陣結構由長纖維增強熱塑性復合材料組成，纖維是碳纖維、玻璃纖維、凱夫拉纖維、碳化硅纖維、超高分子量聚乙烯纖維中的一種，或是其中幾種纖維的組合。

中層點陣結構是X型點陣結構、Y型點陣結構、V型點陣結構、I型點陣結構、N型點陣結構、M型點陣結構、W型點陣結構和正弦波型點陣結構中的一種，或其中幾種類型點陣結構的組合。

外層短纖維結構由金屬短纖維、碳化硅短纖維和碳纖維短纖維相互纏結組成，其中金屬短纖維質量含量3.5％～4.7％，碳化硅短纖維質量含量8.9％～11.2％，其余為碳纖維短纖維。

該多結構復合材料預制體的復合成形制造方法包括以下步驟：

步驟一：根據上層編織結構和底層編織結構的設計要求排布上層Z向導向結構和底層Z向導向結構，形成上層Z向導向結構陣列和底層Z向導向結構陣列；

步驟二：在上層Z向導向結構陣列中按照設計要求纏繞X向紗線和Y向紗線，形成層數為n的編織結構；在底層Z向導向結構陣列中按照設計要求纏繞X向紗線和Y向紗線，形成層數為m的編織結構；

步驟三：在上層編織結構和底層編織結構之間采用連續纖維打印工藝打印包覆有熱塑性樹脂的纖維束，形成中層點陣結構，將底層編織結構和上層編織結構連接成一體；

步驟四：重復步驟二和步驟三，直至上層編織結構、中層點陣結構和底層編織結構達到設計要求；

步驟五：將Z向導向結構替換成Z向紗線；