本發(fā)明涉及一種纖維增強復(fù)合材料的制備方法及其專用設(shè)備，屬于復(fù)合材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

向基體材料中加入纖維一直以來都是提升材料性能的復(fù)合方法，從高分子材料到陶瓷材料，加入纖維組分，能使材料的各項性能得到提升。

傳統(tǒng)的纖維復(fù)合方法都是將纖維預(yù)加到樹脂/陶瓷漿料中，再采用模具成形，無法制備出形狀復(fù)雜的制件，且纖維添加的成分以及梯度性無法自由控制，無法根據(jù)性能需求進行自由設(shè)計。

光固化快速成型技術(shù)是増材制造技術(shù)中成型精度最高的方法之一。光固化快速成型技術(shù)使用光敏材料，在對應(yīng)波長的光源照射下材料由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)，結(jié)合快速成型硬件和軟件配合，實現(xiàn)制件成型。

快速成形的出現(xiàn)，為多材添加提供了工藝窗口，對于材料配方、結(jié)構(gòu)設(shè)計都有了更大的自由空間，需要對其工藝和設(shè)備進行設(shè)計，實現(xiàn)更高性能的纖維復(fù)合材料的設(shè)計。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述需求，本發(fā)明特別提供了一種纖維增強復(fù)合材料的制備方法及其專用設(shè)備，基于光固化快速成形技術(shù)，結(jié)合獨立定點纖維鋪送與纖維沾取過程，從而實現(xiàn)纖維的含量、組分、梯度的自由設(shè)計，進一步優(yōu)化復(fù)合材料的性能。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種制備纖維復(fù)合材料的專用設(shè)備，其特征在于，所述設(shè)備包括機架、纖維處理模塊、光固化成形模塊以及含有控制軟件的計算機；

所述纖維處理模塊包括纖維噴頭、噴膠噴頭、纖維底板、刮板、x-y平面運動機構(gòu)和x軸水平運動機構(gòu)；纖維噴頭和噴膠噴頭均安裝在x-y平面運動機構(gòu)上，纖維底板安裝在x軸水平運動機構(gòu)上；刮板位于纖維底板一端，其下部緊貼纖維底板上表面；所述光固化成形模塊包括光源、料盒、成型臺、z軸垂直導(dǎo)軌和x軸水平導(dǎo)軌；成型臺安裝在z軸垂直導(dǎo)軌上；光源位于料盒下方；料盒內(nèi)設(shè)有刮刀，刀尖與料盒底部留有間隙，該刮刀沿x軸水平導(dǎo)軌運動；所述的x-y平面運動機構(gòu)、x軸水平運動機構(gòu)、刮板、z軸垂直導(dǎo)軌、x軸水平導(dǎo)軌、料盒和光源均安裝在機架上；所述計算機分別通過控制線路控制所述的纖維噴頭、噴膠噴頭、纖維底板的運動，以及成型臺的升降、刮刀的運動和光源的曝光時間。

本發(fā)明所述專用設(shè)備中，其特征在于，所述光源包括led燈、汞燈、氙燈或激光，其波長范圍為295-460nm。

本發(fā)明提供的一種纖維復(fù)合材料的制備方法，其特征在于所述方法包括如下步驟：

1)分層切片：使用三維建模軟件設(shè)計制件模型，用分層軟件對制件進行切片處理，得到纖維層和基體材料層的分層厚度和形狀，并將分層厚度與形狀數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中；

2)纖維定向分布和纖維噴膠處理：x-y平面運動機構(gòu)帶動纖維噴頭和噴膠噴頭，根據(jù)分層形狀和區(qū)域首先在纖維底板上噴涂一層纖維材料，其厚度不大于步驟1中的纖維層的分層厚度)；然后噴膠噴頭在纖維層上噴射一層粘結(jié)劑；

3)粘取纖維材料：使成型臺沿z軸垂直導(dǎo)軌運動至纖維底板水平面之上，纖維底板沿x軸水平運動機構(gòu)運動至成型臺之下；然后使成型臺下降，當(dāng)成型臺底部或已成形部分底部與纖維層上的粘結(jié)劑接觸時停止下降；

4)鋪展光固化基體材料層：纖維底板在x軸水平運動機構(gòu)帶動下復(fù)位，刮板將纖維底板上剩余的纖維材料和粘結(jié)劑清理干凈，同時料盒中的刮刀沿x軸水平軌道運動，使料盒底部鋪上一層基體材料；

5)單層光固化成形：成型臺下降，使成型臺底部或已成形部分底部與料盒底面形成間隙，該間隙等于步驟1)中設(shè)定的分層厚度；調(diào)用步驟1)中設(shè)定的單層形狀和區(qū)域數(shù)據(jù)，開啟光源曝光，進行單層的光固化成形；

6)層層累積：重復(fù)步驟2)～5)的操作，得到層層堆積的纖維增強樹脂材料打印制件或纖維復(fù)合陶瓷材料坯件；

7)進行后處理：對纖維增強樹脂材料打印制件或纖維復(fù)合陶瓷材料坯件進行處理，最終得到纖維復(fù)合材料或陶瓷多孔材料。本發(fā)明所述的纖維材料包括高分子纖維材料、陶瓷纖維材料和碳纖維材料中的一種或幾種的組合。

上述制備方法中，所述的纖維材料包括高分子纖維材料、陶瓷纖維材料和碳纖維材料中的一種或幾種的組合。所述的光固化基體材料為純光敏樹脂、添加納米填料的光敏樹脂或光敏陶瓷漿料。

優(yōu)選地，步驟1)中所述纖維材料的分層厚度為10～500μm。所述光光固化基體材料的鋪料厚度為10μm-1000μm。

本發(fā)明所述方法中，所述的后處理包括清洗、脫脂和燒結(jié)過程；其中纖維增強樹脂打印制件只需要進行清洗，纖維復(fù)合陶瓷材料坯件需要進行清洗、脫脂和燒結(jié)三個步驟；所述的纖維復(fù)合陶瓷材料坯件的脫脂過程中，樹脂脫除溫度在600℃以下，升溫速率為0.1—5℃/min，燒結(jié)溫度為1000℃-2000℃，燒結(jié)氣氛為氧化氣氛、還原氣氛或真空氣氛，高分子纖維材料或碳纖維復(fù)合的纖維復(fù)合陶瓷坯件在燒結(jié)后得到多孔陶瓷材料。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點和突出性效果：1)本發(fā)明基于光固化快速成形的方法，可實現(xiàn)高精度的復(fù)雜制件的成形，分層的厚度可以自由設(shè)定；2)纖維的厚度、分布密度均可以進行調(diào)節(jié)，使纖維在基體中的分布可以設(shè)計；3)對于纖維噴頭，可以根據(jù)不同的纖維成分進行添加或替換，實現(xiàn)多纖維組分的復(fù)合；4)纖維噴頭和噴膠噴頭同時工作，保證了粘結(jié)劑噴射的均勻性，提高了工作效率。

附圖說明

圖1為制備纖維增強復(fù)合材料所用專用設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖2為制備纖維增強復(fù)合材料的工藝流程圖。

圖3為纖維增強復(fù)合材料層層疊加的光固化成形示意圖。

圖4為樹脂基纖維增強材料示意圖。

圖5為陶瓷基纖維增強材料燒結(jié)后示意圖。

圖6為高分子纖維復(fù)合陶瓷材料燒結(jié)后多孔材料示意圖。

圖中：1-纖維噴頭；2-x-y平面運動機構(gòu)；3-噴膠噴頭；4-刮板；5-纖維底板；6-水平直線運動機構(gòu)；7-料盒；8-光源；9-光固化基體材料；10-刮刀；11-纖維材料；12-粘結(jié)劑；13-成型臺；14-垂直運行導(dǎo)軌；15-已成形制件；16-光敏樹脂基體；17-尼龍纖維；18-氧化鋁陶瓷；19-氧化鋁纖維；20-氧化硅陶瓷；21-高分子纖維；22-與分層厚度相等的間隙。

具體實施方式

為了更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和實施實例對本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和工作過程做進一步說明。

圖1為本發(fā)明提供的一種制備纖維復(fù)合陶瓷材料的專用設(shè)備的結(jié)構(gòu)原理示意圖，所述設(shè)備包括機架、纖維處理模塊、光固化成形模塊以及含有控制軟件的計算機。

所述纖維處理模塊包括纖維噴頭1、噴膠噴頭3、纖維底板5、刮板4、x-y平面運動機構(gòu)2和x軸水平運動機構(gòu)6；纖維噴頭1和噴膠噴頭3均安裝在x-y平面運動機構(gòu)2上，纖維底板5安裝在x軸水平運動機構(gòu)6上；刮板4位于纖維底板一端，刮板尖端下部緊貼纖維底板上表面，可往復(fù)直線運動清除殘余的纖維與粘結(jié)劑；x軸水平運動機構(gòu)6可以是直線導(dǎo)軌機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)或齒輪齒條機構(gòu)等直線運動機構(gòu)，可帶動纖維底板在x軸方向左右往復(fù)運動。

所述光固化成形模塊包括光源8、料盒7、成型臺13、z軸垂直導(dǎo)軌14和x軸水平導(dǎo)軌；成型臺安裝在z軸垂直導(dǎo)軌上，使成型臺沿z軸垂直導(dǎo)軌上下移動。光源位于料盒下方；料盒內(nèi)設(shè)有刮刀10，刮刀刀尖與料盒底部留有間隙，該刮刀沿x軸水平導(dǎo)軌往復(fù)運動，實現(xiàn)光敏材料的鋪展；成型臺位于料盒上方，光源、料盒均安裝于機架上。

所述的x-y平面運動機構(gòu)2、x軸水平運動機構(gòu)6、刮板4、z軸垂直導(dǎo)軌14、x軸水平導(dǎo)軌、料盒和光源均安裝在機架上；x-y平面運動機構(gòu)2、x軸水平運動機構(gòu)6、刮板4、z軸垂直導(dǎo)軌14和x軸水平導(dǎo)軌可分別通過電機進行驅(qū)動。

所述計算機分別通過控制線路控制所述的纖維噴頭、噴膠噴頭、纖維底板的運動，以及成型臺的升降、刮刀的運動和光源的曝光時間。

圖2是制備纖維增強復(fù)合材料的工藝流程圖，其具體制備方法包括如下步驟：

1)分層切片：根據(jù)成形制件的形狀和精度要求，使用三維建模軟件設(shè)計制件模型，用分層軟件進行切片處理得到每一層的分層厚度和形狀(包括每層的纖維材料和光固化基體材料)，并將層厚與形狀數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中，

2)纖維定向分布和纖維噴膠處理：x-y平面運動機構(gòu)帶動纖維噴頭和噴膠噴頭，根據(jù)分層形狀和區(qū)域，纖維噴頭1在纖維底板上噴布纖維11，噴膠噴頭3在纖維11上噴射粘結(jié)劑12，使纖維11上層具有粘結(jié)性能，其中纖維層和粘結(jié)劑層的總厚度不大于步驟1)中的纖維材料的分層厚度，一般纖維材料的分層厚度為10～500μm；

3)粘取纖維材料：使成型臺沿z軸垂直導(dǎo)軌運動至纖維底板水平面之上，纖維底板沿x軸水平運動機構(gòu)運動至成型臺之下；然后使成型臺下降，當(dāng)成型臺底部或已成形部分底部與纖維層上的粘結(jié)劑層接觸時停止下降；所述的纖維材料包括高分子纖維材料、陶瓷纖維材料和碳纖維材料中的一種或幾種的組合；纖維底板的中心要與成型臺的中心在同一垂直線上；

4)鋪展光固化基體材料層：纖維底板在x軸水平運動機構(gòu)帶動下復(fù)位，刮板將纖維底板上剩余的纖維和粘結(jié)劑清理干凈，同時料盒中的刮刀沿x軸水平軌道運動，使料盒底部鋪上一層光固化基體材料，所述光固化基體材料的光敏材料的鋪料厚度為10μm-1000μm；

5)單層光固化成形：成型臺下降，使成型臺底部(第1層)或已成形部分底部(第2層開始)與料盒底面形成一定間隙，該間隙等于步驟1)中設(shè)定的分層厚度；調(diào)用步驟1)中設(shè)定的單層形狀和區(qū)域數(shù)據(jù)，開啟光源曝光，進行單層的光固化成形；

6)層層累積：重復(fù)步驟2)～5)的操作，得到層層堆積的纖維增強樹脂材料打印制件或纖維復(fù)合陶瓷材料坯件；

7)進行后處理：所述的后處理包括清洗、脫脂和燒結(jié)過程；其中纖維增強樹脂打印制件只需要進行清洗，纖維復(fù)合陶瓷材料坯件需要進行清洗、脫脂和燒結(jié)三個步驟；所述的纖維復(fù)合陶瓷材料坯件的脫脂過程中，樹脂脫除溫度在600℃以下，升溫速率為0.1—5℃/min，燒結(jié)溫度為1000℃-2000℃，燒結(jié)氣氛為氧化氣氛、還原氣氛或真空氣氛，高分子纖維材料或碳纖維復(fù)合的纖維復(fù)合陶瓷坯件在燒結(jié)后得到多孔陶瓷材料。

圖4是本發(fā)明制造的一種樹脂基纖維增強材料示意圖，該復(fù)合材料包括作為基質(zhì)的樹脂和按照特定方式分散在層間的尼龍纖維。使用本發(fā)明的專用設(shè)備，其制備工藝流程如下：

1)使用三維建模軟件solidworks設(shè)計模型，用分層軟件進行切片處理得到每一層的分層厚度和形狀，其中分層厚度設(shè)置為為100μm，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中；

2)纖維噴頭1根據(jù)當(dāng)前分層形狀區(qū)域在水平底板上噴布尼龍纖維，同時噴膠噴頭3在尼龍纖維上噴射粘結(jié)劑12，纖維層厚度為50μm，粘接劑層厚度為20μm；

3)成型臺13抬升，其底部或已成形部分底部高于水平底板5所在水平面5mm，水平底板5隨纖維底板x軸導(dǎo)軌6運動至成型臺13之下，隨后成型臺13下降使底部與尼龍纖維上的粘結(jié)劑12接觸后再抬升5mm，完成沾取尼龍纖維；

4)水平底板5復(fù)位，刮板4將水平底板5上剩余的尼龍纖維清理干凈，同時刮刀10在x軸水平導(dǎo)軌帶動下水平運動并在料盒7底部鋪一層500μm的光敏樹脂；

5)成型臺13下降使已成形部分底部與料盒7底形成100μm的間隙，隨后調(diào)用步驟1中設(shè)定的曝光區(qū)域形狀，光源開啟曝光進行一層的固化成形；

6)重復(fù)2)～5)的操作，層層累積，獲得尼龍纖維增強樹脂坯體；

7)使用專用清洗劑清洗零件，干燥后即可得到尼龍纖維增強的樹脂零件。

圖5是本發(fā)明制造的一種氧化鋁纖維增強氧化鋁陶瓷復(fù)合材料燒結(jié)后示意圖，該復(fù)合材料包括作為基體材料的氧化鋁陶瓷18和按照特定方式分散在層間的氧化鋁纖維19。使用本發(fā)明的專用設(shè)備，其制備工藝流程如下：

1)使用三維建模軟件solidworks設(shè)計模型，用分層軟件進行切片處理得到每一層的分層厚度和形狀，其中分層厚度設(shè)置為為150μm，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中；

2)纖維噴頭1根據(jù)當(dāng)前分層形狀區(qū)域在水平底板上噴布氧化鋁纖維，同時噴膠噴頭3在氧化鋁纖維上噴射粘結(jié)劑12，纖維層厚度為80μm，粘接劑層厚度為20μm；

3)成型臺13抬升，其底部或已成形部分底部高于水平底板5所在水平面5mm，水平底板5隨纖維底板x軸導(dǎo)軌6運動至成型臺13之下，隨后成型臺13下降使底部與氧化鋁纖維上的粘結(jié)劑12接觸后再抬升5mm，完成沾取氧化鋁纖維；

4)水平底板5復(fù)位，刮板4將水平底板5上剩余的氧化鋁纖維清理干凈，同時刮刀10在x軸水平導(dǎo)軌帶動下水平運動并在料盒7底部鋪一層500μm的光敏氧化鋁陶瓷漿料；

5)成型臺13下降使已成形部分底部與料盒7底形成150μm的間隙，隨后調(diào)用步驟1中設(shè)定的曝光區(qū)域形狀，光源開啟曝光進行一層的固化成形；

6)重復(fù)2)～5)的操作，層層累積，獲得氧化鋁纖維增強氧化鋁陶瓷坯體；

7)使用專用清洗劑清洗坯體后，使用馬弗爐以升溫速率為0.5℃/min至650℃完成脫脂，1600℃保溫2h完成燒結(jié)，最終得到氧化鋁纖維增強氧化鋁陶瓷復(fù)合材料。

圖6是本發(fā)明制造的一種陶瓷基纖維復(fù)合材料燒結(jié)后得到的多孔陶瓷材料坯體示意圖，該復(fù)合材料包括作為基質(zhì)的氧化硅陶瓷20和按照特定方式分散在層間的高分子纖維21。使用本發(fā)明的專用設(shè)備，其制備工藝流程如下：

1)使用三維建模軟件solidworks設(shè)計模型，用分層軟件進行切片處理得到每一層的分層厚度和形狀，其中分層厚度設(shè)置為為200μm，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機中；

2)纖維噴頭1根據(jù)當(dāng)前分層形狀區(qū)域在水平底板上噴布高分子纖維，同時噴膠噴頭3在氧化鋁纖維上噴射粘結(jié)劑12，纖維層厚度為120μm，粘接劑層厚度為20μm；

3)成型臺13抬升，其底部或已成形部分底部高于水平底板5所在水平面5mm，水平底板5隨纖維底板x軸導(dǎo)軌6運動至成型臺13之下，隨后成型臺13下降使底部與高分子纖維上的粘結(jié)劑12接觸后再抬升5mm，完成沾取高分子纖維；

4)水平底板5復(fù)位，刮板4將水平底板5上剩余的高分子纖維清理干凈，同時刮刀10在x軸水平導(dǎo)軌帶動下水平運動并在料盒7底部鋪一層500μm的光敏氧化硅陶瓷漿料；

5)成型臺13下降使已成形部分底部與料盒7底形成150μm的間隙，隨后調(diào)用步驟1中設(shè)定的曝光區(qū)域形狀，光源開啟曝光進行一層的固化成形；

6)重復(fù)2)～5)的操作，層層累積，獲得高分子纖維復(fù)合氧化硅陶瓷坯體；

7)使用專用清洗劑清洗坯體后，使用馬弗爐以升溫速率為0.8℃/min至600℃完成脫脂，高分子纖維在高溫下也被脫除留下孔隙，1300℃保溫1h完成燒結(jié)，最終得到氧化硅多孔陶瓷材料。