[發明專利]高效任意角度連續纖維增強復合材料的裝置和方法

有效

• 申請號: 202011057701.0
• 申請日: 2020-09-30
• 公開（公告）號: CN112277338B
• 公開（公告）日: 2022-04-26
• 發明（設計）人: 趙雪妮;劉明玥;桂珍珍;劉傲;鄭佳梅;魏森森;陳雪巖
• 申請（專利權）人: 陜西科技大學
• 主分類號: B29C70/34
• 分類號: B29C70/34;B29C67/04;B29C70/54
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 馬貴香

1.高效任意角度連續纖維增強復合材料的裝置，其特征在于，包括用于完成可控分絲的靜電分絲裝置，用于完成粉末鋪設的鋪粉裝置和用于切斷纖維、壓實粉體的預壓成型裝置；

所述靜電分絲裝置包括同軸設置的空心軸(60)、分絲臺(45)、旋轉臺(44)，所述旋轉臺(44)固定在空心軸(60)上方，分絲臺(45)固定在第一支撐板(184)上，空心軸(60)上下兩端通過帶座軸承與第一支撐板(184)和第二支撐板(182)連接；

所述旋轉臺(44)上開設有預壓孔，所述預壓孔兩側設置用于壓緊纖維束的壓緊裝置；

所述分絲臺(45)上固定有第三機架(29)和第四機架(61)，第三機架(29)上通過第一彈簧組(431)安裝有第一壓板(421)；第四機架(61)通過第二彈簧組(432)安裝有第二壓板(422)；

第三機架(29)和第四機架(61)下方分別設置有第一導電塊(411)和第二導電塊(412)，所述第一導電塊(411)兩側均設置有第一電磁鐵(401)，所述第二導電塊(412)兩側均設置有第二電磁鐵(402)；

所述預壓成型裝置包括偏心輪(11)、偏心輪軸(10)、推桿(20)和快換式成型模具，所述偏心輪(11)套設在偏心輪軸(10)上，所述偏心輪軸(10)由動力裝置驅動，所述推桿(20)和預壓成型裝置的快換凸模(22)通過銷(21)連接；

快換式成型模具包括快換凸模(22)和設置在空心軸(60)內的第一套筒(47)、墊板(48)與凹模腔(49)，所述凹模腔(49)為一個空心軸，墊板(48)包括上側的圓柱體以及下側的第二凸臺(70)，第二凸臺(70)外徑小于空心軸(60)的內徑，圓柱體外徑與凹模腔(49)內徑大小相同，兩者形成的內腔中盛放復合材料預制品(69)；墊板(48)設置于第一套筒(47)上端，過渡配合安裝于第一套筒(47)的凹槽內，凹模腔(49)放置于空心軸(60)內腔的第一凸臺(68)上，空心軸(60)內腔與第一套筒(47)外壁間隙配合；

所述鋪粉裝置包括儲粉箱(17)和滾珠絲杠模組(13)，所述儲粉箱(17)安裝在滾珠絲杠模組(13)上，儲粉箱(17)下端開設有出粉口，出粉口處安裝有齒輪(35)，儲粉箱(17)中安裝有齒輪軸(36)，齒輪軸(36)上設置有齒輪(35)，所述齒輪(35)的齒頂圓與儲粉箱(17)內壁過渡配合，齒輪(35)兩側面與儲粉箱(17)內壁緊密貼合，儲粉箱(17)后側固定有刮板(37)。

2.根據權利要求1所述的高效任意角度連續纖維增強復合材料的裝置，其特征在于，所述壓緊裝置包括機架，所述機架上螺紋連接有螺桿，所述螺桿的下端安裝有壓塊。

3.根據權利要求1所述的高效任意角度連續纖維增強復合材料的裝置，其特征在于，所述偏心輪軸(10)兩端通過軸承分別安裝于第一機架(12)和第二機架(23)上，所述第一機架(12)和第二機架(23)下端分別與第一導柱(5)和第二導柱(57)連接，所述第一導柱(5)上套有第一導套(6)，第一導套(6)可以在第一導柱(5)上滑動，第二導柱(57)上套有第二導套(56)，所述第二導套(56)可以在第二導柱(57)上滑動；

所述第一導套(6)和第二導套(56)上部均與第一連接板(8)固定連接，所述第一連接板(8)兩側設置第一圓環形掛鉤(252)和第四圓環形掛鉤(254)，第一機架(12)和第二機架(23)外側設置第三圓環形掛鉤(251)和第二圓環形掛鉤(253)，所述第一圓環形掛鉤(252)和第三圓環形掛鉤(251)之間連接有第二拉簧(52)；所述第二圓環形掛鉤(253)和第四圓環形掛鉤(254)之間連接有第一拉簧(7)。

4.根據權利要求1所述的高效任意角度連續纖維增強復合材料的裝置，其特征在于，所述靜電分絲裝置安裝在支撐件(18)上，所述支撐件(18)安裝在第一導軌(3)上。

5.一種基于權利要求1所述的裝置的任意角度連續纖維增強復合材料制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1、向儲粉箱(17)內裝入適量粉末；

步驟2、使預壓成型裝置中的墊板(48)移動至其上表面與旋轉臺(44)上表面相距一層粉末厚度，且墊板(48)上表面位于旋轉臺(44)上表面下方；

步驟3、使鋪粉裝置中的儲粉箱(17)移動至墊板(48)一側，且儲粉箱(17)中的齒輪(35)下端與旋轉臺(44)上表面相距1-2cm；

步驟4、使儲粉箱(17)內粉末下落；與此同時，使儲粉箱(17)水平移動，使粉末被均勻鋪灑在墊板(48)與凹模腔(49)形成的腔體中；

步驟5、將第一纖維束A端水平放置于第一導電塊(411)上開設的第一凹槽(66)內，B端水平放置于第二導電塊(412)上開設的第二凹槽(67)內，給第一電磁鐵通電，第一壓板(421)被第一電磁鐵(401)吸附，這時第一彈簧組(431)拉伸，第一壓板(421)與第一導電塊(411)緊貼，進而將第一纖維束A端固定住；

步驟6、給第一導電塊(411)與第一壓板(421)通電，這時第一導電塊(411)與第一壓板(421)之間形成高壓靜電場，第一纖維束B端在高壓靜電場的作用下分散開；

步驟7、給第二電磁鐵(402)通電，第二壓板(422)被第二電磁鐵(402)吸附，帶動第二彈簧組(432)拉伸，第二壓板(422)與第二導電塊(412)緊貼，將第一纖維束B端固定住，進而切斷第一導電塊(411)與第一壓板(421)電源；

步驟8、切斷第一電磁鐵(401)電源，給第二導電塊(412)與第二壓板(422)通電，第二導電塊(412)與第二壓板(422)之間形成高壓靜電場，第一纖維束A端在高壓靜電場的作用下分散開；

步驟9、用壓緊裝置壓緊單絲狀態的第一纖維束A端和B端，使單絲狀態的第一纖維束A端和B端均被固定住，接著切斷第二電磁鐵(402)、第二導電塊(412)和第二壓板(422)電源；

步驟10、使空心軸(60)轉動設定角度α，即對應第一纖維束相對于第一壓板(421)和第二壓板(422)旋轉設定角度α；

步驟11、將第二纖維束放置于第一導電塊(411)、第二導電塊(412)的凹槽內，重復步驟5～步驟8，再切斷第二導電塊(412)與第二壓板(422)的電源；

步驟12、給第一電磁鐵(401)通電，重復與步驟5中相同的動作，這時處于單絲狀態的第二纖維束A端和B端均被固定住；

步驟13、使靜電分絲裝置隨之滑動至凹模腔(49)與預壓成型裝置同軸位置；

步驟14、使預壓成型裝置將纖維沿凹模腔(49)內壁切斷，同時將纖維與粉體壓實；

步驟15、重復與步驟2中相同的動作，使凹模腔內材料上表面與旋轉臺(44)上表面相距近似一層粉末厚度，且材料上表面位于旋轉臺(44)上表面下方；

步驟16、重復步驟3～步驟15，直至達到比所需復合材料制備層數少一層；

步驟17、依次重復步驟3、步驟4和步驟13；

步驟18、將預壓成型裝置下壓，完成最后一層粉體預壓，得到復合材料預制品(69)；

步驟19、重復步驟2，使墊板(48)上升，取出復合材料預制品(69)，完成任意角度連續纖維增強復合材料預制品制備，將石墨模具與其中的復合材料預制品(69)放置于熱壓爐中燒結，得到連續纖維增強復合材料。