一種層間增韌層疊復(fù)合材料及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種層間增韌層疊復(fù)合材料及其制備方法，該層疊復(fù)合材料包含面內(nèi)層疊織物以及層間XY向和Z向短纖維，首先將一定長(zhǎng)度、直徑的短纖維以一定的密度預(yù)先均勻的鋪放在層疊織物層間，并在金屬托網(wǎng)上進(jìn)行夾持，再對(duì)其施加水刺處理。用一定直徑、壓強(qiáng)的高壓微細(xì)水流射向?qū)盈B織物，水刺過程中水流與纖維、金屬托網(wǎng)相互作用，產(chǎn)生散射、激蕩，使層間短纖維產(chǎn)生位移、穿插、抱合，由于織物中間縫隙的存在，部分短纖維進(jìn)入中間縫隙，產(chǎn)生Z向結(jié)構(gòu)，經(jīng)固化后得到含有層間與Z向短纖維的層間增韌層疊復(fù)合材料，本發(fā)明能夠提高層疊復(fù)合材料的Ⅰ/Ⅱ混合型層間斷裂韌性，同時(shí)對(duì)面內(nèi)性能損失較小。
【專利說明】
一種層間増韌層疊復(fù)合材料及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于層疊復(fù)合材料層間增韌技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種層間增韌的層疊復(fù)合材料結(jié)構(gòu)以及制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在層疊復(fù)合材料加工制造方法中，增強(qiáng)層疊復(fù)合材料的層間力學(xué)性能主要從基質(zhì)改性和纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行，其主要宗旨是在最大限度減少對(duì)面內(nèi)性能的影響和不增加方法的復(fù)雜性的前提下，最大限度提升層疊復(fù)合材料的整體力學(xué)性能。在纖維的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，目前層疊復(fù)合材料預(yù)制體層間增韌方法主要有Z-Pins、針刺、縫合技術(shù)，但這些技術(shù)都存在一定局限與不足，主要體現(xiàn)為以下幾點(diǎn):I)都是采用剛性介質(zhì)進(jìn)行層間短纖維的引入，穿刺的過程對(duì)層疊預(yù)制體的主纖維形成機(jī)械沖擊和反復(fù)撕扯，從而造成面內(nèi)纖維的破壞;2)面內(nèi)增韌的“分辨率”低，對(duì)局部微小面積不能很好的進(jìn)行增韌；3)生產(chǎn)效率較低，尤其是針刺與Z-Pins不適宜大規(guī)模批量化生產(chǎn)場(chǎng)合;4)對(duì)層間斷裂韌性的增韌主要聚焦在I斷裂模式下，很少結(jié)合Π斷裂模式進(jìn)行增韌。因此，亟需對(duì)層疊復(fù)合材料預(yù)制體的層間增韌過程中的穿刺方法進(jìn)行創(chuàng)新和研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的在于提供一種可以提高I/Π混合型層間斷裂韌性的層間增韌層疊復(fù)合材料及其制備方法。
[0004]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用了以下技術(shù)方案:
[0005]一種層間增韌層疊復(fù)合材料，該復(fù)合材料包括層間增韌的層疊復(fù)合材料預(yù)制體，所述層疊復(fù)合材料預(yù)制體包括層疊編織織物以及設(shè)置于層疊編織織物中的XY向短纖維和Z向短纖維，所述編織織物以一定角度逐層鋪放，所述XY向短纖維均勻的處于全部或部分編織織物中相鄰兩層編織織物之間，所述Z向短纖維處于層疊編織織物中由每層編織織物的中間縫隙構(gòu)成的通道中，Z向短纖維是由部分預(yù)先鋪設(shè)于編織織物層間的短纖維隨水刺射流進(jìn)入編織織物的中間縫隙而形成的，所述Z向?yàn)榇怪庇诰幙椏椢锲矫娴姆较颉?br>[0006]所述編織織物選自纖維織物，編織織物的鋪放方式為0°、45°、-45°或90°，編織織物的編織結(jié)構(gòu)選自平紋、斜紋或緞紋二維編織體。
[0007]所述編織織物的纖維種類為碳纖維、苧麻纖維、竹纖維或玻璃纖維，所述XY向短纖維以及Z向短纖維的纖維種類為碳纖維、玻璃纖維、尼龍纖維或凱夫拉纖維。
[0008]所述XY向短纖維以及Z向短纖維的長(zhǎng)度為所述編織織物的中間縫隙間距的2?5倍，XY向短纖維以及Z向短纖維的直徑為6?I Oym。
[0009]所述復(fù)合材料還包括固化樹脂基體，固化樹脂基體是均勻浸漬所述層疊復(fù)合材料預(yù)制體的樹脂固化成型而形成的。
[0010]上述層間增韌層疊復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟:
[0011 ] I)在層疊編織織物層間鋪放短纖維；
[0012]2)經(jīng)過步驟I)后，用托網(wǎng)對(duì)層疊編織織物進(jìn)行夾持；
[0013]3)經(jīng)過步驟2)后，對(duì)層疊編織織物進(jìn)行水刺處理，得到預(yù)制體；
[0014]4)將預(yù)制體固化成型。
[0015]所述步驟I)中，選擇相應(yīng)的編織織物種類，并按一定的角度層疊鋪放，鋪放時(shí)將一定密度的短纖維預(yù)先鋪設(shè)在對(duì)應(yīng)層疊編織織物層間，同時(shí)根據(jù)材料性能需要選擇層疊編織織物的全部層間或部分層間鋪設(shè)短纖維。
[0016]所述水刺處理是將單一水射流射向?qū)盈B編織織物，使射流體與編織織物以及托網(wǎng)碰撞、激蕩，產(chǎn)生散射，使層間短纖維產(chǎn)生位移、穿插、抱合，并使部分短纖維進(jìn)入編織織物中間縫隙，從而一次成型得到層間增韌的層疊復(fù)合材料預(yù)制體。
[0017]在一次成型的基礎(chǔ)上，若需要繼續(xù)增加構(gòu)成所述層疊復(fù)合材料預(yù)制體的編織織物層數(shù)，則根據(jù)水刺原理并采用逐層累加編織織物的漸進(jìn)方式，直至達(dá)到所需的編織織物層數(shù)。
[0018]本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在:
[0019]本發(fā)明對(duì)層間增韌層疊復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和制備方法進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)中間鋪有短纖維的層疊復(fù)合材料進(jìn)行水刺，將短纖維作用向?qū)盈B復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)中各個(gè)方向，使層疊復(fù)合材料產(chǎn)生層間XY向與Z向短纖維，同時(shí)降低了傳統(tǒng)層疊復(fù)合材料層間增韌過程中對(duì)預(yù)制體的主纖維造成的損傷。
[0020]對(duì)于編織織物層數(shù)較多的層疊復(fù)合材料預(yù)制體采用逐層累加的增韌方式，能夠提高預(yù)制體的層間增韌效果。
[0021 ]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點(diǎn)在于:
[0022]I)本發(fā)明提出的層間增韌層疊復(fù)合材料結(jié)構(gòu)整體性能優(yōu)異，并且其制備方法流程清晰、簡(jiǎn)潔，便于工業(yè)化生產(chǎn)。
[0023]2)本發(fā)明基于水刺進(jìn)行層間增韌，當(dāng)射流噴射向?qū)盈B復(fù)合材料預(yù)制體表面后，射流會(huì)沿著織物間隙進(jìn)入，提高了增韌效率和分辨率，利用射流將短纖維束帶入層疊復(fù)合材料預(yù)制體微結(jié)構(gòu)中各個(gè)方向，使層疊復(fù)合材料預(yù)制體產(chǎn)生層間XY向與Z向短纖維，不僅提高了復(fù)合材料的I型層間斷裂韌性，同時(shí)對(duì)Π型層間斷裂韌性也有所提高，使材料具備抵抗I/Π型混合層間斷裂的能力。
[0024]3)本發(fā)明基于水刺的層間增韌方法，相比傳統(tǒng)層疊復(fù)合材料的層間增韌方法，沒有對(duì)層疊復(fù)合材料預(yù)制體的主纖維產(chǎn)生剛性機(jī)械沖擊和反復(fù)撕扯，因此，本發(fā)明基于水刺的層間增韌方法可以降低對(duì)層疊復(fù)合材料預(yù)制體造成的損傷。
【附圖說明】
[0025]圖1是鋪有層間短纖維的織物結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是水刺系統(tǒng)原理圖；
[0027]圖3是層疊復(fù)合材料預(yù)制體水刺過程示意圖；
[0028]圖4是層疊復(fù)合材料預(yù)制體水刺層間增韌后結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖中:i為第一層織物，2為第二層織物，3為第三層織物，4為短纖維，5為層間鋪設(shè)短纖維的層疊織物，6為中間縫隙，7為高壓微細(xì)水流，8為水針頭，9為計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，10為水栗，11為水箱，12為金屬托網(wǎng)，13為Z向連接增強(qiáng)碳纖維;A、B、C分別為第三、二、一層織物的中間縫隙。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0031]I)層疊復(fù)合材料的水刺層間增韌方法:
[0032]針對(duì)層疊炭纖維預(yù)制體的微觀結(jié)構(gòu)，如圖1所示，可以看出，層疊炭纖維預(yù)制體在厚度方向存在由每層XY向主纖維(即編織炭布的纖維)交織處的中間縫隙6構(gòu)成的通道，為典型的連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)。
[0033]參見圖2，當(dāng)高壓微細(xì)水流7射向并穿過層疊炭纖維預(yù)制體時(shí)，流體與主纖維和金屬托網(wǎng)12碰撞、激蕩，發(fā)生多向散射，在連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)中形成多種射流分布，如圖3所示，可以看出，炭布層間鋪設(shè)的部分短纖維4(碳纖維)在多向射流作用下發(fā)生位移、穿插與抱合，同時(shí)由于中間縫隙6的存在，短纖維4會(huì)進(jìn)入到層疊炭纖維預(yù)制體的B、C間隙中，形成Z向連接增強(qiáng)碳纖維13(8卩Z向?qū)娱g連接短纖維)，從而使得層疊炭纖維預(yù)制體成為一個(gè)整體，提高層疊炭纖維預(yù)制體的Z向?qū)娱g連接強(qiáng)度。同時(shí)，層間保留有XY向短纖維，所述XY向?yàn)樘坎计矫娴难由旆较颉?br>[0034]2)面向?qū)盈B復(fù)合材料的水刺層間增韌方法實(shí)現(xiàn)
[0035]①為了實(shí)現(xiàn)層疊復(fù)合材料水刺增韌方法過程，需借助面向?qū)盈B復(fù)合材料的水刺方法系統(tǒng)，如圖2所示，主要包括計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)9、水針頭8、水箱11，以及高壓水栗10。
[0036]②如圖1所示，預(yù)先準(zhǔn)備短纖維(碳纖維)，在進(jìn)行水刺增韌前，將短纖維以一定的密度(短纖維的鋪設(shè)密度例如為2?10g/m2。)均勻鋪設(shè)在相鄰炭布層間，短纖維可以是每個(gè)層間都鋪設(shè)，或根據(jù)需要選擇某些層間進(jìn)行鋪設(shè)。用金屬托網(wǎng)12對(duì)層疊炭布進(jìn)行夾持，以便于水刺過程的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)保證炭布水刺的XY向受力均勻。
[0037]③在層疊復(fù)合材料水刺層間增韌過程中，利用圖2所示的水刺系統(tǒng)，將高壓微細(xì)水流7射向?qū)盈B炭纖維預(yù)制體，進(jìn)行水刺增韌過程。在層疊復(fù)合材料的水刺層間增韌方法中，通過層疊炭纖維預(yù)制體水刺增韌后的微觀結(jié)構(gòu)，如圖4所示，可以看出，在層疊炭纖維預(yù)制體結(jié)構(gòu)中增加了層與層之間的Z向?qū)娱g連接短纖維，這些連接短纖維使得層疊炭布的層與層之間產(chǎn)生連接，同時(shí)層間存在一定數(shù)量的XY向短纖維。
[0038]④在層疊復(fù)合材料水刺層間增韌過程中，如果炭布層數(shù)較多，可以采用分層水刺的方式，先進(jìn)行部分層數(shù)炭布的水刺過程，然后再添加其余的炭布層同時(shí)鋪設(shè)短纖維，以提高水刺的均勻性。
[0039]⑤在面向?qū)盈B復(fù)合材料的水刺層間增韌方法中，水針(水針就是水針頭射出的高壓微細(xì)水流)沖擊最外側(cè)炭布表面時(shí)，水針與纖維和托網(wǎng)發(fā)生碰撞，形成射流流場(chǎng)，這些射流對(duì)炭布的作用力隨水針頭到最外側(cè)炭布的距離、射流壓力與方向，以及水針頭結(jié)構(gòu)參數(shù)等的不同而不同，調(diào)整這些參數(shù)可以改變射流流場(chǎng)分布。
[0040]⑥在面向?qū)盈B復(fù)合材料的水刺層間增韌方法中，改變層間鋪設(shè)短纖維密度、短纖維的長(zhǎng)度以及炭布的厚度與編織結(jié)構(gòu)能夠改變層疊炭纖維預(yù)制體的微觀結(jié)構(gòu)中Z向?qū)娱g連接短纖維的分布結(jié)構(gòu)與數(shù)量，從而改變Z向?qū)盈B炭布之間層間連接的連接強(qiáng)度。
[0041]3)將上述水刺層間增韌后得到的預(yù)制體應(yīng)用樹脂傳遞固化方法得到層間增韌層疊復(fù)合材料。
[0042]4)應(yīng)用舉例以及效果說明
[0043]選用4層平紋碳布(東麗3k碳布)并0°鋪放，每個(gè)相鄰層間鋪放短碳纖維，短碳纖維長(zhǎng)度5mm，直徑6?ΙΟμπι，鋪設(shè)密度為2g/m2，水刺參數(shù):水針直徑d = 0.1mm、水刺壓力P =1.5MPa、水針行走速度V =5mm/s;應(yīng)用以上方法得到水刺增韌層疊復(fù)合材料預(yù)制體，最后應(yīng)用真空輔助樹脂傳遞方法得到水刺增韌層疊復(fù)合材料，其中樹脂為EPOLAM 2040環(huán)氧樹月旨(北京科拉斯公司)。
[0044]實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相較于直接將混雜短纖維流體噴向?qū)盈B碳布的預(yù)制體增韌方法，本方法由于在預(yù)制體的層間即XY平面上存在大量短纖維，而在材料的斷裂韌性方面，由于裂紋擴(kuò)展方式的不同，Z向纖維對(duì)提高層疊復(fù)合材料的I型層間斷裂韌性有直接作用，而XY向短纖維則對(duì)提高Π型層間斷裂韌性效果明顯，所以由于層間XY向與Z向短纖維的同時(shí)存在，不僅提高了復(fù)合材料的I型層間斷裂韌性，同時(shí)對(duì)Π型層間斷裂韌性也有所提高，增強(qiáng)了材料在復(fù)雜工況下的斷裂韌性，使材料的工程適用性更強(qiáng)。
[0045]本發(fā)明也適用于除炭布之外，由諸如苧麻纖維、竹纖維或玻璃纖維構(gòu)成的層疊預(yù)制體。短纖維除了采用碳纖維外，亦可采用其他用于增加連接強(qiáng)度的纖維，例如，玻璃纖維、尼龍纖維或凱夫拉纖維。
[0046]本發(fā)明針對(duì)在層疊編織預(yù)制體中每一層織物中的主纖維間隙(中間縫隙)以及每層織物的層間間隙形成的典型連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)，利用高壓微細(xì)水流穿過層疊編織預(yù)制體，在連通管式多孔介質(zhì)結(jié)構(gòu)中形成各種射流分布，層間短纖維在多向射流作用下發(fā)生位移、穿插與抱合，同時(shí)由于中間縫隙的存在，短纖維會(huì)進(jìn)入到層疊預(yù)制體的間隙中，形成Z向連接的增強(qiáng)纖維，從而使得層疊編織預(yù)制體成為一個(gè)整體，提高層疊編織預(yù)制體的Z向?qū)娱g連接強(qiáng)度。
[0047]本發(fā)明采用的水刺層間增韌方法，相比傳統(tǒng)層疊復(fù)合材料的層間增韌方法，沒有對(duì)層疊復(fù)合材料預(yù)制體的主纖維產(chǎn)生剛性機(jī)械沖擊和反復(fù)撕扯，因此，本發(fā)明所述水刺層間增韌方法可以降低對(duì)層疊復(fù)合材料預(yù)制體造成的損傷。由于層間XY向與Z向短纖維的存在，不僅提高了復(fù)合材料的I型層間斷裂韌性，同時(shí)對(duì)Π型層間斷裂韌性也有所提高，使材料具備抵抗I/Π型混合層間斷裂的能力。
[0048]本發(fā)明通過分析層疊復(fù)合材料預(yù)制體的水刺技術(shù)原理，將水刺技術(shù)作為層間增韌方法，構(gòu)建面向?qū)盈B復(fù)合材料的水刺層間增韌方法，在此基礎(chǔ)上，利用高壓微細(xì)水流將層疊織物層間短纖維作用入到層疊復(fù)合材料的Z向縫隙中，實(shí)現(xiàn)層疊復(fù)合材料預(yù)制體水刺層間增韌過程。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種層間增韌層疊復(fù)合材料，其特征在于:該復(fù)合材料包括層間增韌的層疊復(fù)合材料預(yù)制體，所述層疊復(fù)合材料預(yù)制體包括層疊編織織物以及設(shè)置于層疊編織織物中的XY向短纖維和Z向短纖維，所述編織織物以一定角度逐層鋪放，所述XY向短纖維均勻的處于全部或部分編織織物中相鄰兩層編織織物之間，所述Z向短纖維處于層疊編織織物中由每層編織織物的中間縫隙構(gòu)成的通道中，所述Z向?yàn)榇怪庇诰幙椏椢锲矫娴姆较颉?.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種層間增韌層疊復(fù)合材料，其特征在于:所述編織織物的鋪放方式為0°、45°、-45°或90°，編織織物的編織結(jié)構(gòu)選自平紋、斜紋或緞紋二維編織體。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種層間增韌層疊復(fù)合材料，其特征在于:所述編織織物的纖維種類為碳纖維、苧麻纖維、竹纖維或玻璃纖維，所述XY向短纖維以及Z向短纖維的纖維種類為碳纖維、玻璃纖維、尼龍纖維或凱夫拉纖維。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種層間增韌層疊復(fù)合材料，其特征在于:所述XY向短纖維以及Z向短纖維的長(zhǎng)度為所述編織織物的中間縫隙間距的2?5倍，XY向短纖維以及Z向短纖維的直徑為6?ΙΟμπι。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種層間增韌層疊復(fù)合材料，其特征在于:所述復(fù)合材料還包括固化樹脂基體，固化樹脂基體是均勻浸漬所述層疊復(fù)合材料預(yù)制體的樹脂固化成型而形成的。6.—種制備如權(quán)利要求1所述層間增韌層疊復(fù)合材料的方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)在層疊編織織物層間鋪放短纖維； 2)經(jīng)過步驟I)后，用托網(wǎng)對(duì)層疊編織織物進(jìn)行夾持； 3)經(jīng)過步驟2)后，對(duì)層疊編織織物進(jìn)行水刺處理，得到預(yù)制體； 4)將預(yù)制體固化成型。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述步驟I)中，選擇相應(yīng)的編織織物種類，并按一定的角度層疊鋪放，鋪放時(shí)將一定密度的短纖維預(yù)先鋪設(shè)在對(duì)應(yīng)層疊編織織物層間，同時(shí)根據(jù)材料性能需要選擇層疊編織織物的全部層間或部分層間鋪設(shè)短纖維。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于:所述水刺處理是將單一水射流射向?qū)盈B編織織物，使射流體與編織織物以及托網(wǎng)碰撞、激蕩，產(chǎn)生散射，使層間短纖維產(chǎn)生位移、穿插、抱合，并使部分短纖維進(jìn)入編織織物中間縫隙，從而一次成型得到層間增韌的層疊復(fù)合材料預(yù)制體。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于:在一次成型的基礎(chǔ)上，若需要繼續(xù)增加構(gòu)成所述層疊復(fù)合材料預(yù)制體的編織織物層數(shù)，則采用逐層累加編織織物的漸進(jìn)方式，直至達(dá)到所需的編織織物層數(shù)。
【文檔編號(hào)】B32B33/00GK105946303SQ201610272688
【公開日】2016年9月21日
【申請(qǐng)日】2016年4月27日
【發(fā)明人】仝哲, 趙麗萍, 要義勇
【申請(qǐng)人】西安交通大學(xué)