[发明专利]基于数字化导向模版的复合材料预制件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合材料制备技术领域，具体而言，涉及一种基于数字化导向模版的复合材料预制件及其制备方法。

背景技术

三维织造复合材料预制件的制作是三维织造复合材料制备的基础，而且预制件的性能（包括制作方法和工艺）在根本上决定了所制作的复合材料的性能。所以从20世纪80年代以来，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。目前预制件的形式也是多种多样的，主要分为三维编织预制件、正交三向编织预制件、缝合织物预制件等。

其中，三维编织预制件是通过一组带有编织纱的锭子在编织平面按设定的运动程序不断改变相互间的位置使编织纱在空间相互交缠形成的立体织物。由于采用三维编织工艺制作的增强预制件显著地提高了材料的强度和刚度，使材料具有优良的抗冲击损伤性能、力学性能和耐烧蚀性能，特别是层间连接强度远远优于其它层合材料。然而，对于结构复杂的预制件，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，所以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。

正交三向织物是由沿空间直角坐标X、Y、Z三个方向的碳纤维在空间不断重叠延伸而形成的立体织物。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。

缝合织物预制件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。

三维织造预制件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三维织造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。而且采用此方法制备的三维织造复合材料具有高强度、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。

在现有技术中，首先由于传统三维织造的工艺和织造机器本身的尺寸限制，现阶段三维织造预制件厚度难以超过50mm，难以实现厚度较大的预制件织造。同时，由于现有技术中用于三维织造预制件的纤维通常是带状的，在三维织造预制件的织造过程中在拉力的作用下，纤维较宽的面通常是贴附在导向套上，使纤维层与层之间的间隙较大，即使后续还有压实的工序，预制件的纤维体积含量仍得不到很大的提高，因此，三维织造预制件的力学性能的提高也受到阻碍。

发明内容

本发明旨在提供一种基于数字化导向模版的复合材料预制件及其制备方法，以解决现有技术中预制件的厚度受限和纤维体积含量得不到较大提高的技术问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种基于数字化导向模版的复合材料预制件。该复合材料预制件包括多根导向套和缠绕在多根导向套间的纤维，纤维呈扁平带状，纤维沿多根导向套之间的间隙穿行铺设并形成多个叠置的铺设层，纤维的带面在铺设层内延伸，导向套的延伸方向与铺设层垂直。

进一步地，多根导向套按照预定路径排列形成预定形状。

进一步地，每相邻的3根导向套形成三角形，三角形经阵列后组成数字化导向模版，纤维在多根导向套间沿三角形的边所在的直线铺放，且纤维缠绕在位于预定形状外周的导向套上。

进一步地，每相邻的4根导向套形成四边形，四边形经阵列后组成数字化导向模版，纤维在多根导向套间沿四边形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且纤维缠绕在位于预定形状外周的导向套上。

进一步地，每相邻的6根导向套形成六边形，六边形经阵列后组成数字化导向模版，纤维在多根导向套间沿六边形的边所在的直线或对角线所在的直线铺放，且纤维缠绕在位于预定形状外周的导向套上。

进一步地，导向套的外表面上设置有用于定位纤维的定位凹槽。

进一步地，导向套为中空结构或实心结构。