一种复合材料预制件层间增强织造成形方法

摘要

针对目前预制件三维织造方法零部件的层间强度低、整体性差等缺点，现提出一种以导向套为支点进行导向套坎合槽错层缠绕的预制件层间增强织造成形方法。该方法包括如下步骤：预制件模型分层，在导向模板上布置具有等间距坎合槽的导向套阵列，当前层内纤维以导向套为支点，纤维分别沿0度、45度、90度、135度方向平行的导向套逐行进行编织，每一行内两个相邻导向套纤维错层缠绕，并锁紧导向套上的坎合槽，完成一层编织后，再进行下一层坎合槽之间的错层编织，直到所有层编完后，将缠绕纤维的导向套从导向柱模板取下，得到预制件。本方法特征在于导向套坎合层间加入了纤维连接，因此大大增强了层间的力学性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种复合材料预制件织造成形方法，属于复合材料三维织造成形领域。

背景技术

复合材料因其综合了基体材料及增强材料的各项优点，具有显著的力学性能以及轻质的特点，因此广泛应用于航空航天、国防军工、汽车等行业。随着各行业的快速发展，对复合材料性能要求越来越高，因此对复合材料预制件织造成形方法能织造大尺寸、形状复杂、高性能、轻量化的预制件的要求也越来越高。目前预制件的成形方法主要有正交交织法，三维编织法，缝合编织法，三维织造法。

正交交织法：正交交织法中纤维的基本排布分别沿着三个正交方向（经向、纬向和轴向），通过控制纤维的引入动作和次序使得经向和纬向纤维互相交织，完成一层的交织后引入轴向纤维，对预制件进行层间交织，将得到的预制件经树脂浸渍后最终形成制件。美国、澳大利亚、日本等国家开展了较多的研究。Shikishima Canvas公司开发的正交交织技术工艺简单，成本低，可在传统的二维编织机上加以改装以实现加工。然而，该技术的不足之处是预制件在分层上仅有几排纤维束互相交织，分层的厚度受到了限制，不适用于大尺寸制件的加工。

三维编织法：三维编织法中纤维在三维空间中相互交织交叉在一起，不但在平面内相互交织而且在厚度方向亦相互交织，从而形成了一个不分层的整体结构，提高了编织件整体性能，将得到的预制件经树脂浸渍后最终形成制件。Quadrax Advanced Materials公司提出四步法加工工艺，杜邦公司开发了两步法加工工艺，对三维编织的工艺理论进行了研究。此项技术的发展促进了多向增强复合材料在航空工业中的应用，受到了各工业发达国家的极大关注。美国3TEX、德国Herzog、日本京都工艺纤维大学等都开发了先进三维织造机，运行速度较高，配合专用的大容量携纱器可实现更大轴向尺寸预制件的编织。然而，三维编织技术更多地只用于加工截面尺寸变化较小的预制件，对于复杂结构的预制件，需通过在编织过程中改变纤维排布或数量，使得加工工序复杂化，不易于自动化控制。

缝合编织法：美国、德国、英国等国研究了缝合编织法，其基本原理是利用成熟的缝纫工艺将二维平面织物加工成三维预制件，将得到的预制件经树脂浸渍后最终形成制件。其生产工艺简单，成本较低，被各国认定是一种有潜力的加工技术。此方法在分层上仅有几排纤维束互相交织，并且由于受到缝合工艺的限定，仅被应用在加工垂直方向的缝合，对于曲面预制件的加工仍有局限性，对预制件的厚度有一定的限制。

三维织造法：作为复合材料成形的一个领域，是一种新型纺织技术，是以整体织物作为增强体的复合材料，是20世纪80年代发展起来的一种新型复合材料织造成形技术。采用此技术可以直接编织出各种形状、不同尺寸的整体异型预制件。用这些预制件制成的复合材料制件不需再加工，这就避免了由于加工所造成的纤维损伤。此方法具有高强度、基体损伤不易扩展、高抗冲击性能和综合力学性能好，以及耐烧蚀、抗高温、热绝缘性能好等独特的优点，目前已经引起了美国、德国等世界各国的关注，已经成为复合材料预制件成形的重要领域和研究方向。

复合材料三维织造成形方法以其优越的性能，已经成为复合材料预制件成形的重要领域和研究方向，但绝大多数三维织造成形方法仍面临效率低、层间性能差等问题，由机械科学研究总院提出的基于数字化导向模板的三维织造成形方法效率极高，但因为层与层之间没有纤维进行有效连接，层间性能仍然较差、冲击后易受损伤以及机械连接孔和几何形状突变处的强度会显著下降，限制了它在主要承力结构件上的应用。

本发明是在研究目前复合材料三维织造成形方法的基础上，针对目前织造成形方法预制件层间力学性能差的问题，提出了一种新的复合材料预制件层间增强织造成形方法。

发明内容

针对目前预制件三维织造方法零部件的层间强度低、整体性差等缺点，现提出一种以导向套（2a）为支点进行导向套坎合槽（2b）错层缠绕的预制件层间增强织造成形方法。该方法包括如下步骤：预制件模型分层（3），在导向模板上布置具有等间距坎合槽的导向套阵列，当前层内纤维以导向套为支点，纤维分别沿0度（4）、45度（5）、90度（6）、135度（7）方向平行的导向套逐行进行编织，每一行内两个相邻导向套纤维错层缠绕（8），并锁紧导向套上的坎合槽，完成一层编织后（9），再进行下一层坎合槽之间的错层编织，直到所有层编完后，将缠绕纤维的导向套从导向柱模板取下，得到预制件(10)。本方法特征在于导向套坎合层间加入了纤维连接，因此大大增强了层间的力学性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案流程(1)如下:

a) 首先将零件三维CAD模型沿Z向分层，得到每层的二维轮廓信息；

b) 根据每一层的二维轮廓信息，在数字化导向模板上布置具有等间距坎合槽（2b）的导向套（2a）阵列；

c) 将要编织的当前层（3b）沿Z向位置设置在两个导向套坎合槽平行层（3a）之间；

d) 以导向套为支撑，纤维沿0度方向平行的导向套（4）之间逐行进行编织，在每一行两个相邻导向套坎合槽内错层缠绕；以导向套为支撑，纤维沿45度方向平行的导向套（5）之间逐行进行编织，在每一行两个相邻导向套坎合槽内错层缠绕；以导向套为支撑，纤维沿90度方向平行的导向套（6）之间逐行进行编织，在每一行两个相邻导向套坎合槽内错层缠绕；以导向套为支撑，纤维沿135度方向平行的导向套（7）之间逐行进行编织，在每一行两个相邻导向套坎合槽内错层缠绕（8）；缠绕顺序可以根据每一层内和层间的二维轮廓信息任意排列组合，完成一层轮廓内部结构的编织（9）；

e) 完成一层编织后，继续采用步骤d)在两个导向套坎合槽平行层之间完成下一层编织；

f) 所有层间增强编完后，将缠绕纤维的导向套从导向模板取下，得到预制件(10)。

所述导向套上的坎合槽（2b）是层间增强的关键，坎合槽的特征在于坎合槽的截面形状包括多种形状，如矩形，梯形，半圆形等可以加工出来的形状，尺寸也可以根据预制件的结构进行调整。

所述导向套（2a）的特征在于材料种类很多，除了包括传统的金属以及合金之外，还包括碳棒、聚四氟等可以加工出坎合槽的非金属材料。

所述纤维的特征在于材料的种类很多，包括碳纤维、碳化硅纤维、石英纤维、芳纶纤维、玻璃纤维等可以实现织造的复合材料增强纤维，纤维粗度也可以根据织造要求进行选择。

所述缠绕的特征在于缠绕方式包括空间直线式（11）和空间‘8’字式（12），也可以两种方式相组合，不同的缠绕方法叠加缠绕在导向套凹槽内，可以增强纤维的体积含量。

本复合材料预制件织造方法与现有复合材料预制件织造方法相比具有以下优点：

通过层间增强织造，纤维可以在相邻导向套不同坎合层之间连接，因为层与层之间加入了纤维连接，大大增强了层间力学性能。

导向套表面的坎合槽可以将各层有机结合，使预制件成为一个整体，克服传统编织方法层间仅靠聚合物粘结易撕裂的缺点，进一步增强了层间力学性能。

导向套本身在层间方向也可以承担很大的力学性能，也将大大增强层间方向的力学性能；

本方法从以上三个方面提高了复合材料预制件层间方向的力学性能，解决的了复合材料预制件织造的关键技术难点。

附图说明

图1：预制件织造成形流程图；

图2：表面为坎合槽的导向套；

a)导向套  b)坎合槽；

图3：预制件分层示意图；

a) 两个导向套坎合槽平行层b)当前层；

图4：0度方向织造示意图；

图5：45度方向织造示意图；

图6：90度方向织造示意图；

图7：135度方向织造示意图；

图8：错层缠绕侧面效果图；

图9：预制件俯视面效果图；

图10：预制件侧面效果图；

图11：空间直线式缠绕方式俯视面效果图；

图12：空间“8”字式缠绕方式俯视面效果图。

具体实施方式：

为详细的描述本发明的特点和步骤，列举尺寸为110mm×110mm×100mm的六面体预制件的织造方法。首先选择直径10mm高度100mm材料为碳棒的导向套，坎合槽截面为矩形，槽宽3mm槽深2mm，槽间距5mm；将零件三维CAD模型沿Z向分层，得到每层的二维轮廓信息；根据每一层的二维轮廓信息，在数字化导向模板上等间距布置5×5个导向套，导向套中心距25mm；将要编织的当前层沿Z向位置设置在两个导向套坎合槽平行层之间；以导向套为支撑，选取3k规格的碳纤维沿0度方向平行的导向套之间逐行进行编织，在每一行两个相邻导向套坎合槽内错层缠绕；以导向套为支撑，纤维沿45度方向平行的导向套之间逐行进行编织，在每一行两个相邻导向套坎合槽内错层缠绕；以导向套为支撑，纤维沿90度方向平行的导向套之间逐行进行编织，在每一行两个相邻导向套坎合槽内错层缠绕；以导向套为支撑，纤维沿135度方向平行的导向套之间逐行进行编织，在每一行两个相邻导向套坎合槽内错层缠绕；缠绕顺序可以根据每一层内和层间的二维轮廓信息任意排列组合，完成一层轮廓内部结构的编织；完成一层编织后，继续采用上述步骤在两个导向套坎合槽平行层之间完成下一层编织；所有层间增强编完后，将缠绕纤维的导向套从导向模板取下，得到预制件。

以上对本发明及其实施方式的描述是示意性的，没有限制性。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，进行其他实施例，均应属于本发明的保护范围。