一种三维编织预制体织物的混缝复合材料成型方法

摘要

本发明公开了一种三维编织预制体织物的混缝复合材料成型方法，包括如下步骤：将热塑性树脂纤维与增强纤维预混合或用热固性树脂胶膜预贴敷的增强纤维与增强纤维预混合，使树脂与增强纤维进行同步混合缝编，在缝编过程中，在织物的设定部位针刺铺设树脂胶膜，缝编完成后，在得到的三维编织预制体的设定部位用铺缝树脂纤维进行三维铺缝，增加设定部位的树脂含量，对得到的三维编织预制体织物进行真空模压联动成型。采用了上述三者的联合应用，可适应传统的复合材料热压成型工艺，所制备的纤维复合预制体织物，可直接采用热压成型模具进行复合材料的成型加工，避免了真空导入RTM工艺中的气密性问题，有效提高了生产效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种三维编织预制体织物的混缝复合材料成型方法，特别涉及一种利用树 脂胶膜针刺铺叠、树脂纤维混杂编织和铺缝技术联合应用的三维编织预制体的复合材料成 型方法，利用该方法可有效取代传统的三维编织复合材料RTM成型技术，提高成型效率。

背景技术

三维编织复合材料是一种运用三维预制体织物结构与高性能树脂复合的类似于均质材 料的高性能复合材料，与传统的二维叠层复合材料相比，三维编织复合材料无层间结构强 度弱化的特点，在预制体结构中，纤维相互交织、方向具有任意取向的特点，从空间上实 现了平面各个方向的纤维比例相同，从而有效地避免了二维复合材料中的分层问题。此外， 三维编织设备可制备各种形状复杂的制件，除了连续长度较长的管状、锥形制品，包括各 种异形截面和复杂形状的制件均可以通过一次编织成型，在编织过程中还可以根据力学要 求进行各种高性能纤维的混杂编织，从而发挥多种纤维的综合特性，全方位提高复合材料 制件的力学性能，目前利用三维编织结构与高性能树脂复合固化成型的复合材料可广泛运 用于军工、航空航天等高端领域的先进设备的结构承力部件。

在三维编织预制体织物结构形成之后，后续的固化成型对最终复合材料的性能发挥尤 为关键，目前对于预制体织物的固化成型主要采用封闭式成型技术，即预制体织物封闭在 固定模具中，通过抽真空将封闭模具腔形成负压环境，再通过正压力将树脂基体胶液灌注 入模具中从而达到与纤维织物的充分浸渍。这种成型技术是目前三维编织结构复合材料成 型普遍采用的方法，该方法虽然制备的复合材料具有较高的性能，但是该技术的生产效率 较低，而且对于成型所用的树脂要求较高，树脂要有较高的流动性和较低的粘度。此外还 有一个非常关键的难点，就是树脂胶液与纤维织物预制体复合浸渍的过程中由于树脂粘度 和树脂扩散速率等因素的影响，会在预制体织物结构的内部不可避免的出现贫胶微区，这 种微小区域的出现很可能形成微缺陷而影响到复合材料整体的力学性能应用。

发明内容

本发明为了解决以上技术问题，提供一种三维编织预制体织物的混缝复合材料成型方 法。

为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：

一种三维编织预制体织物的混缝复合材料成型方法，包括如下步骤：将热塑性树脂纤 维与增强纤维预混合或用热固性树脂胶膜预贴敷的增强纤维与增强纤维预混合，使树脂与 增强纤维进行同步混合缝编，得到三维编织预制体。

增强纤维贴敷树脂胶膜为了提高树脂的含胶量，同时胶膜可以保证纤维含胶量的均匀 分布，混合编织同样使树脂纤维与增强纤维均匀编织成为整体，之后通过树脂熔融实现树 脂基复合材料的制备，保证树脂基体的均匀性。树脂胶膜过量使用会在增强纤维表面脱落 而影响编织工艺顺利进行。

优选的，树脂的使用量为5-10％。

所述的树脂纤维可在三维编织预制体的编织过程中，将树脂纤维纱线合并入增强无机 纤维纱线中，所用的树脂纤维纱线可根据三维复合材料力学性能的最终要求而定。

优选的，所述热塑性树脂纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚氨酯纤维、聚苯硫醚纤 维或聚酰胺纤维，所述热固性树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或热固性聚氨 酯树脂。

优选的，所述增强纤维为碳纤维、氧化铝纤维、碳化硅纤维、石墨纤维或氮化硼纤维 中的一种或多种。

优选的，所述增强纤维采用三维四向、三维五向、三维六向或三维七向中的一种或多 种三维编织方法进行编织。

优选的，上述三维编织预制体织物的混缝复合材料成型方法，还包括如下步骤：在缝 编过程中，在织物的设定部位针刺铺设树脂胶膜，树脂胶膜的质量占整体质量的10-20％。

所述的纤维多轴向编织过程中树脂胶膜的铺入，可在三维织物预制体编织过程中在特 定厚度部位内，通过窄带状树脂胶膜的穿刺技术完成，整个穿刺过程类似于纤维毡预制体 的针刺工序，从而完成三维织物编织与树脂胶膜铺叠工序的同步进行。树脂胶膜的铺叠主 要提高厚度方向的树脂含量。

进一步优选的，所述树脂胶膜为聚乙烯、聚丙烯、聚氨酯、聚苯硫醚或聚酰胺中的一 种或多种；或者为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或热固性聚氨酯树脂中的一种或 多种。

进一步优选的，所述树脂胶膜的厚度为0.1-1mm。

优选的，上述三维编织预制体织物的混缝复合材料成型方法，还包括如下步骤：缝编 完成后，在得到的三维编织预制体的设定部位用铺缝树脂纤维进行三维铺缝，增加设定部 位的树脂含量。

铺缝是三维编织术语，用于类似层叠的三维编织织物结构的纤维增强。

进一步优选的，所述铺缝树脂纤维为聚乙烯纤维、聚丙烯纤维、聚氨酯纤维、聚苯硫 醚纤维或聚酰胺纤维中的一种或多种；或所述铺缝树脂纤维为热固性树脂胶膜涂覆的增强 纤维，热固性树脂胶膜为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂或热固性聚氨酯树脂中的 一种或多种。

更进一步优选的，所述热固性树脂胶膜的厚度为0.1-0.5mm，所述树脂纤维或热固性树 脂胶膜的含量为5-15％。

优选的，上述三维编织预制体织物的混缝复合材料成型方法，还包括如下步骤：对得 到的三维编织预制体织物进行真空模压联动成型。

进一步优选的，真空模压联动成型的真空度为0.06-0.1MPa。

三维预制体织物真空模压联动成型技术，将树脂纤维与增强纤维的预复合体置于热压 模具中，将模具封闭后进行抽真空处理，真空度在0.06-0.1MPa范围内可调。将真空负压稳 定后，将模具置于热压设备中升温加压对预复合的三维预制体进行树脂熔融流动，待树脂 熔体完全浸渍增强纤维织物之后，降温冷却形成最终三维结构复合材料制品。成型温度和 压力根据树脂基体的类型而灵活掌握。

本发明的有益效果为：

1、本发明采用树脂纤维混杂编织技术，实现了增强纤维在编织过程中与树脂的预复合， 实现了树脂在三维织物中的均匀分布，避免了贫胶微区的出现。

2、本发明中的树脂胶膜铺叠，可以实现对三维织物特定部位的树脂量的需求，有利于 对三维织物进行局部加固。

3、本发明中的铺缝技术，可以根据需要对编织完成的三维织物进行整体上的树脂加固， 使得到的三维织物的树脂分布更加合理。

4、本发明采用树脂胶膜铺叠、树脂纤维混杂编织和铺缝技术联合应用，改变了原有RTM 成型工艺的三维编织与树脂浸渍固化两步法复合技术，在增强纤维三维编织的过程中完成 了树脂纤维与增强纤维的预复合，可以精确控制三维复合材料结构中的树脂含量；并且成 功摆脱了两步法中RTM树脂导入工序的贫胶缺陷问题，通过树脂胶膜在不同部位的预置、 树脂纤维与增强纤维的合理混编搭配以及二次的树脂纤维铺缝强化，保证了预制体三维织 物任意部位的均匀胶含量，对降低复合材料缺陷具有重要作用。

5、采用了树脂胶膜铺入技术、树脂纤维混编技术与树脂纤维铺缝技术的三者联合应用， 可适应传统的复合材料热压成型工艺，所制备的纤维复合预制体织物，可直接采用热压成 型模具进行复合材料的成型加工，避免了真空导入RTM工艺中的气密性问题，有效提高了 生产效率。

附图说明

图1给出了三维编织预制体织物的混缝复合材料预织物的结构示意图。

其中，1、增强纤维，2、树脂纤维，3、树脂胶膜，4、铺缝树脂纤维。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1所示，选用增强纤维1为3K的碳纤维长丝作为三维结构预制体的编织原料，选 用树脂胶膜3为聚乙烯胶膜和树脂纤维2为聚乙烯纤维长丝。碳纤维长丝与聚乙烯纤维长 丝混合缠绕装配进入编织机纱锭，其中聚乙烯纤维的混合比例占三维复合材料总重量的 10％，采用三维四向编织方法编织成圆筒装织物结构。预先设定编织总厚度为20mm，其中 在2mm、6mm、10mm、14mm四个厚度位置沿着圆筒厚度平面方向针刺铺敷厚度为0.8mm 厚的聚乙烯胶膜窄带，其中窄带宽度为0.5mm，胶膜总的重量占三维复合材料总重量的 15％，最后使树脂胶膜与三维织物结构中的混合纱线形成整体结构。在三维织物预制体形成 之后，再选用聚乙烯纤维(铺缝树脂纤维4)长丝通过铺缝技术，将以上三维织物预制体进 行二次缝合，引入的铺缝长丝的总重量占三维复合材料总重量的10％。

在上述三维预制体织物形成之后，将其置于封闭圆筒装模具中，首先对模具整体进行 抽真空处理，将模具内的三维预制体织物形成封闭真空环境，整体体系的真空度控制在 0.08MPa范围，之后将模具置于500T热压机内进行热压成型，在热压过程中实时控制体系 真空度维持上述数值不变，热压过程的最终温度和压力根据工艺灵活调整，最终制备聚乙 烯树脂基体三维编织碳纤维复合材料管状制品，其树脂含量为35％。

实施例2

选用增强纤维为6K碳纤维长丝作为三维结构预制体的编织原料，选用树脂胶膜为聚氨 酯胶膜和树脂纤维为聚氨酯纤维长丝。碳纤维长丝与聚氨酯纤维长丝混合缠绕装配进入编 织机纱锭，其中聚乙烯纤维的混合比例占三维复合材料总重量的8％，采用三维五向编织方 法编织成圆筒装织物结构。预先设定编织总厚度为10mm，其中在2mm、4mm、6mm、8mm 四个厚度位置沿着圆筒厚度平面方向针刺铺敷厚度为0.6mm厚的聚氨酯胶膜窄带，其中窄 带宽度为0.4mm，胶膜总的重量占三维复合材料总重量的10％，最后使树脂胶膜与三维织 物结构中的混合纱线形成整体结构。在三维织物预制体形成之后，再选用聚氨酯纤维长丝 通过铺缝技术，将以上三维织物预制体进行二次缝合，引入的铺缝长丝的总重量占三维复 合材料总重量的15％。

在上述三维预制体织物形成之后，将其置于封闭圆筒装模具中，首先对模具整体进行 抽真空处理，将模具内的三维预制体织物形成封闭真空环境，整体体系的真空度控制在 0.1MPa范围，之后将模具置于315T热压机内进行热压成型，在热压过程中实时控制体系 真空度维持上述数值不变，热压过程的最终温度和压力根据工艺灵活调整，最终制备聚氨 酯树脂基体三维编织碳纤维复合材料管状制品，其树脂含量为40％。

实施例3

选用增强纤维为6K碳化硅纤维长丝作为三维结构预制体的编织原料，选用树脂胶膜为 聚丙烯胶膜和树脂纤维为聚丙烯纤维长丝。碳化硅长丝与聚丙烯纤维长丝混合缠绕装配进 入编织机纱锭，其中聚乙烯纤维的混合比例占三维复合材料总重量的6％，采用三维六向编 织方法编织成方筒装织物结构。预先设定编织总厚度为15mm，其中在3mm、6mm、9mm、 12mm四个厚度位置沿着方筒厚度平面方向针刺铺敷厚度为0.5mm厚的聚丙烯胶膜窄带， 其中窄带宽度为0.3mm，胶膜总的重量占三维复合材料总重量的18％，最后使树脂胶膜与 三维织物结构中的混合纱线形成整体结构。在三维织物预制体形成之后，再选用聚丙烯纤 维长丝通过铺缝技术，将以上三维织物预制体进行二次缝合，引入的铺缝长丝的总重量占 三维复合材料总重量的12％。

在上述三维预制体织物形成之后，将其置于封闭方筒装模具中，首先对模具整体进行 抽真空处理，将模具内的三维预制体织物形成封闭真空环境，整体体系的真空度控制在 0.06MPa范围，之后将模具置于500T热压机内进行热压成型，在热压过程中实时控制体系 真空度维持上述数值不变，热压过程的最终温度和压力根据工艺灵活调整，最终制备聚丙 烯树脂基体三维编织碳化硅纤维复合材料方管状制品，其树脂含量为42％。

实施例4

选用增强纤维为6K氧化铝纤维长丝作为三维结构预制体的编织原料，选用树脂胶膜为 酚醛树脂胶膜、树脂纤维为涂覆酚醛树脂的氧化铝纤维长丝。氧化铝长丝与酚醛树脂涂层 氧化铝纤维长丝混合缠绕装配进入编织机纱锭，其中涂层纤维的树脂涂层比例占三维复合 材料总重量的9％，采用三维五向编织方法编织成方筒状织物结构。预先设定编织总厚度为 15mm，其中在3mm、6mm、9mm、12mm四个厚度位置沿着方筒厚度平面方向针刺铺敷厚 度为0.4mm厚的酚醛树脂胶膜窄带，其中窄带宽度为0.2mm，胶膜总的重量占三维复合材 料总重量的18％，最后使树脂胶膜与三维织物结构中的混合纱线形成整体结构。在三维织 物预制体形成之后，再选用酚醛树脂涂层氧化铝纤维长丝通过铺缝技术，将以上三维织物 预制体进行二次缝合，引入的铺缝长丝的酚醛树脂涂层总重量占三维复合材料总重量的 12％。

在上述三维预制体织物形成之后，将其置于封闭方筒装模具中，首先对模具整体进行 抽真空处理，将模具内的三维预制体织物形成封闭真空环境，整体体系的真空度控制在 0.06MPa范围，之后将模具置于500T热压机内进行热压成型，在热压过程中实时控制体系 真空度维持上述数值不变，热压过程的最终温度和压力根据工艺灵活调整，最终制备酚醛 树脂基体三维编织氧化铝纤维复合材料方管状制品，其树脂含量为42％。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限 制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要 付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。