[发明专利]制造三维增强碳纤维复合材料的微细纤维高能植入装备

说明书

本发明公开一种用于制造三维增强碳纤维复合材料的微细纤维高能植入装备，包括：微细增强纤维送料模块，微细增强纤维定向排列模块，微细增强纤维起电模块，微细增强纤维加速器注入模块，真空发生装置模块，高压静电加速模块，加速器聚束模块和微细增强纤维引出控制模块。本发明通过充电处理且达到目标荷质比量级要求后的大规模微细增强纤维作为高能植入的纤维源，采用高压静电加速电场对均匀定向排布的阵列式大规模微细增强纤维进行加速赋能，使其速度和能量达到植入要求，利用微细增强纤维的输出动能将其注入到二维层合结构预浸料目标增强区域内，实现三维增强碳纤维复合材料的制造。

技术领域

本发明涉及碳纤维复合材料植入装备领域，尤其是涉及一种用于制造三维增强碳纤维复合材料的微细纤维高能植入装备。

背景技术

随着航空航天技术的发展，碳纤维增强复合材料层合板结构因其诸多优点得到了大量应用。然而，由于机械连接和其他设计需求需要对层合板开孔，引起孔边分层和应力集中现象从而降低结构整体强度，成为失效的重要原因。通过增强层间性能降低开孔造成的界面损伤具有重要意义。

现有技术中，公开号CN 110027304 A和CN 111583309 A的申请文件均采用Z-pin连续植入技术。传统的Z-pin增强技术纤维直径一般在0.2mm～0.6mm，体积分数比一般介于2％～5％，Z-pin的植入提高了层合板的层间性能，但增韧工艺容易造成纤维偏转、纤维卷曲断裂、富脂区的形成等问题，使层合板原有结构产生一定程度的破坏，导致层合板的面内性能下降。以微细增强纤维高能植入代替传统Z-pin植入有望解决以上问题，以微细增强碳纤维为例，将其荷质比作为评价指标，植入纤维携带饱和电荷量及质量计算方式如下：

式中，d为纤维截面直径，l为纤维长度，σ为纤维表面电荷密度，ε₀为环境介电常数，ε纤维介电常数，E为电场强度，q_max为纤维携带饱和电荷量，ρ_f为微细增强纤维密度。

根据静电学计算，得到相关参数取值范围如下：

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

通过估算，植入微细增强纤维荷质比可以达到10^-2C/kg量级。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制造三维增强碳纤维复合材料的微细纤维高能植入装备，以直径为μm量级，长度为若干mm的微细增强纤维单丝作为三维增强材料，通过电晕起电等充电方式使微细增强纤维荷质比达到动能植入要求，采用高压静电加速电场对均匀定向排布的阵列式大规模微细增强纤维进行加速赋能，使其速度和能量达到植入要求，利用微细增强纤维动能将其植入到二维层合结构预浸料，实现三维增强碳纤维复合材料的制造。达到提高碳纤维树脂基预浸料三维增强密度和三维增强力学性能的目的。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于制造三维增强碳纤维复合材料的微细纤维高能植入装备，包括：

微细增强纤维送料模块，用于提供纤维源；

微细增强纤维定向排列模块，用于产生静电场对微细增强纤维实现阵列式分散和定向；