[發明專利]制造三維增強碳纖維復合材料的微細纖維高能植入裝備

有效

• 申請號: 202011280771.2
• 申請日: 2020-11-16
• 公開（公告）號: CN112721230B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發明（設計）人: 柯映林;李江雄;朱偉東;王青;王晗
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: B29C70/30
• 分類號: B29C70/30;B29C70/54
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 米志鵬

本發明公開一種用于制造三維增強碳纖維復合材料的微細纖維高能植入裝備，包括：微細增強纖維送料模塊，微細增強纖維定向排列模塊，微細增強纖維起電模塊，微細增強纖維加速器注入模塊，真空發生裝置模塊，高壓靜電加速模塊，加速器聚束模塊和微細增強纖維引出控制模塊。本發明通過充電處理且達到目標荷質比量級要求后的大規模微細增強纖維作為高能植入的纖維源，采用高壓靜電加速電場對均勻定向排布的陣列式大規模微細增強纖維進行加速賦能，使其速度和能量達到植入要求，利用微細增強纖維的輸出動能將其注入到二維層合結構預浸料目標增強區域內，實現三維增強碳纖維復合材料的制造。

技術領域

本發明涉及碳纖維復合材料植入裝備領域，尤其是涉及一種用于制造三維增強碳纖維復合材料的微細纖維高能植入裝備。

背景技術

隨著航空航天技術的發展，碳纖維增強復合材料層合板結構因其諸多優點得到了大量應用。然而，由于機械連接和其他設計需求需要對層合板開孔，引起孔邊分層和應力集中現象從而降低結構整體強度，成為失效的重要原因。通過增強層間性能降低開孔造成的界面損傷具有重要意義。

現有技術中，公開號CN 110027304 A和CN 111583309 A的申請文件均采用Z-pin連續植入技術。傳統的Z-pin增強技術纖維直徑一般在0.2mm～0.6mm，體積分數比一般介于2％～5％，Z-pin的植入提高了層合板的層間性能，但增韌工藝容易造成纖維偏轉、纖維卷曲斷裂、富脂區的形成等問題，使層合板原有結構產生一定程度的破壞，導致層合板的面內性能下降。以微細增強纖維高能植入代替傳統Z-pin植入有望解決以上問題，以微細增強碳纖維為例，將其荷質比作為評價指標，植入纖維攜帶飽和電荷量及質量計算方式如下：

式中，d為纖維截面直徑，l為纖維長度，σ為纖維表面電荷密度，ε₀為環境介電常數，ε纖維介電常數，E為電場強度，q_max為纖維攜帶飽和電荷量，ρ_f為微細增強纖維密度。

根據靜電學計算，得到相關參數取值范圍如下：

d＝10×10^-6～15×10^-6m

l＝0.01～0.05m

ε＝8

ε₀＝8.85×10^-12Farad/m

E＝1×10⁶～1×10⁷Volt/m

ρ_f＝1×10³～2×10³kg/m³

通過估算，植入微細增強纖維荷質比可以達到10^-2C/kg量級。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于制造三維增強碳纖維復合材料的微細纖維高能植入裝備，以直徑為μm量級，長度為若干mm的微細增強纖維單絲作為三維增強材料，通過電暈起電等充電方式使微細增強纖維荷質比達到動能植入要求，采用高壓靜電加速電場對均勻定向排布的陣列式大規模微細增強纖維進行加速賦能，使其速度和能量達到植入要求，利用微細增強纖維動能將其植入到二維層合結構預浸料，實現三維增強碳纖維復合材料的制造。達到提高碳纖維樹脂基預浸料三維增強密度和三維增強力學性能的目的。

為實現上述發明目的，本發明采用如下技術方案：

一種用于制造三維增強碳纖維復合材料的微細纖維高能植入裝備，包括：

微細增強纖維送料模塊，用于提供纖維源；

微細增強纖維定向排列模塊，用于產生靜電場對微細增強纖維實現陣列式分散和定向；