[發明專利]一種高長徑比棒狀預制體及其制備方法

在審

• 申請號: 202110864658.7
• 申請日: 2021-07-29
• 公開（公告）號: CN113666762A
• 公開（公告）日: 2021-11-19
• 發明（設計）人: 張毅;成來飛;付志強;陳超;陳旭;衛沖;李旭勤
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: C04B35/80
• 分類號: C04B35/80;C04B35/565;C04B35/82;D04C1/02;D04C1/06;D05B1/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 汪海艷

1.一種高長徑比棒狀預制體，其特征在于：由芯體結構與包層結構構成，其中芯體結構為由多根纖維束同向排布而成的圓柱體；包層結構為采用編織方法編織的筒狀纖維束編織層，縫合在芯體結構外周面。

2.根據權利要求1所述的高長徑比棒狀預制體，其特征在于：編織方法為管編織、三維四向、2.5D或三維五向編織方法。

3.根據權利要求2所述的高長徑比棒狀預制體，其特征在于：纖維為碳纖維、碳化硅纖維和氮化硅纖維中的一種或多種的組合。

4.根據權利要求3所述的高長徑比棒狀預制體，其特征在于：芯體結構中纖維為碳纖維，芯體結構中碳纖維占整個圓柱體芯體結構的體積分數為40～60％；

或，芯體結構中纖維為碳化硅纖維，芯體結構中碳化硅纖維占整個圓柱體芯體結構的體積分數為30～50％；

或，芯體結構中纖維為氮化硅纖維，芯體結構中氮化硅纖維占整個圓柱體芯體結構的體積分數為30～50％。

5.根據權利要求4所述的高長徑比棒狀預制體，其特征在于：包層結構中纖維為碳纖維，包層結構中碳纖維占筒狀纖維束編織層的體積分數為30～50％；

或，包層結構中纖維為碳化硅纖維，包層結構中碳化硅纖維占筒狀纖維束編織層的體積分數為20～40％；

或，包層結構中纖維為氮化硅纖維，包層結構中氮化硅纖維占筒狀纖維束編織層的體積分數為20～40％。

6.一種高長徑比棒狀預制體的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟1：預制體設計；

步驟1.1、設計纖維預制體結構；

纖維預制體由芯體結構與包層結構構成，芯體結構為由多根纖維束同向排布而成的圓柱體；包層結構為采用編織方法包裹在芯體結構外周面的筒狀纖維束編織層；

步驟1.2、確定纖維預制體的尺寸；

按照陶瓷基復合材料螺栓尺寸要求，確定纖維預制體的尺寸；針對小徑為d mm，大徑為D mm的螺栓，確定纖維預制體的芯體結構直徑為d-x mm，包層結構內徑為d-x mm，包層外徑為D+y mm；其中x、y取值為保證在包層加工結構時不損傷芯體；

步驟1.3、根據纖維束直徑計算芯體結構與包層結構所需纖維束數量；

步驟2、制備芯體結構；

步驟2.1、準備長度為L mm的纖維束，采用長度為L-z mm，直徑為D-x mm的圓棒作為模具，其中z為捆扎端頭的約束余量；將多根纖維束以每根纖維束沿圓棒的軸向延伸，多根纖維束沿圓棒的周向均勻排布的方式分散到圓棒表面，直至包裹整根圓棒；

步驟2.2、將超出圓棒端面的纖維束的一端用纖維束捆扎，然后去除圓棒，再拉直所有纖維束，用纖維束捆扎另一端；

步驟2.3、保持纖維束張力，用熔融玻璃絲按螺旋方向捆綁，形成芯體結構，并保持拉直狀態；

步驟3：編制包層結構；

在芯體結構保持拉直的狀態下，采用編織方法在其外周面編織纖維束包層，設置纖維束編織張力，使得芯體結構受到包層結構的壓應力；

步驟4：縫合芯體和包層結構，獲得棒狀預制體；

采用玻璃絲，在金屬針的引導下，沿步驟3獲得的預制體橫截面的0度和90度方向各進行一次縫合，之后沿軸向間隔設定長度后繼續沿橫截面的0度和90度方向各進行一次縫合，重復上述縫合步驟，最終形成包層為筒狀纖維束編織層結構，芯體為多根纖維束同向排布而成的圓柱體結構的棒狀預制體。

7.根據權利要求6所述的高長徑比棒狀預制體的制備方法，其特征在于：步驟1中纖維為碳纖維、碳化硅纖維和氮化硅纖維中的一種或多種的組合。

8.根據權利要求7所述的高長徑比棒狀預制體的制備方法，其特征在于：步驟2.3中，芯體結構中纖維為碳纖維，芯體結構中碳纖維占整個圓柱體芯體結構的體積分數為40～60％；

或，芯體結構中纖維為碳化硅纖維，芯體結構中碳化硅纖維占整個圓柱體芯體結構的體積分數為30～50％；

或，芯體結構中纖維為氮化硅纖維，芯體結構中氮化硅纖維占整個圓柱體芯體結構的體積分數為30～50％。