本發(fā)明涉及一種用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相，具體涉及一種高性能纖維三維預(yù)成型體成型方法。

背景技術(shù)：

早期的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相主要是短纖維和連續(xù)纖維兩種形式，增強(qiáng)纖維之間未能有效地纏結(jié)，僅靠基體樹脂材料將其粘結(jié)，材料橫向強(qiáng)度和抗沖擊損傷等性能較低。80年代開始將增強(qiáng)纖維加工成二維預(yù)成型體，使纖維按一定的規(guī)律在平面內(nèi)相互交織和纏結(jié)，提高了材料的面內(nèi)強(qiáng)度，改善了材料的面內(nèi)抗沖擊損傷性能。但是，二維預(yù)成型體由于其厚度非常小，因而難以滿足現(xiàn)代先進(jìn)復(fù)合材料發(fā)展的需要。隨著科技的不斷進(jìn)步，發(fā)達(dá)國家率先研發(fā)并采用了三維預(yù)成型體作為先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相，從而大幅度提升了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的整體性能，成為先進(jìn)復(fù)合材料制備的關(guān)鍵核心材料。發(fā)達(dá)國家長期以來一直對高性能纖維三維預(yù)成型體及其復(fù)合材料技術(shù)采取保護(hù)政策，他們不僅是出于經(jīng)濟(jì)利益的考慮，更重要的是出于軍事和國家戰(zhàn)略利益的考慮，遏制其他國家發(fā)展先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)，特別是對應(yīng)用于航空航天等領(lǐng)域的高性能纖維三維預(yù)成型體這一關(guān)鍵核心技術(shù)采取嚴(yán)厲的技術(shù)封鎖和保護(hù)政策。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)材料起到骨架作用，其成份為玻璃纖維、碳纖維、芳綸纖維、聚酰亞胺纖維、高強(qiáng)高模聚乙烯纖維、硼纖維、氧化鋁纖維和碳化硅纖維等纖維；纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的基體材料起到粘結(jié)作用，其成份可為環(huán)氧樹脂、不飽和聚酯樹脂、酚醛樹脂等合成樹脂。傳統(tǒng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料采用手糊法復(fù)合成型。該方法先準(zhǔn)備好制品形狀相對應(yīng)的模具，在模具上涂上一層脫模劑，裁剪好與模具形狀相對應(yīng)的纖維布，按照一定配方，把固化劑(包括交聯(lián)劑、引發(fā)劑和促進(jìn)劑)、著色劑、填料等輔助成份調(diào)進(jìn)膠水狀的合成樹脂中而得到含有助劑的合成樹脂。糊制時(shí)用合成樹脂把纖維布等一層一層地裱糊在模具上直到符合厚度的要求，經(jīng)過修剪毛邊后，在適宜的溫度下合成樹脂在固化劑的作用下發(fā)生化學(xué)變化，直到固化完成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的制作。但是手糊成型主要缺陷表現(xiàn)在：樹脂的用料多、勞動(dòng)強(qiáng)度高、因?yàn)楣袒瘎┲械慕宦?lián)劑通常采用苯乙烯，而苯乙烯是揮發(fā)物質(zhì)，對操作工人的健康有損害，也容易造成大氣污染。隨著復(fù)合工藝的進(jìn)步，目前主要采用閉模成型方法，也就是說，在密閉的模具中完成復(fù)合材料的制作。其一種方案是在厘米厚的聚氨酯發(fā)泡材料上開設(shè)溝槽，再將玻璃纖維布或者碳纖維或者芳綸纖維布等、聚氨酯發(fā)泡材料、纖維氈等依次放入模具中，然后在密閉的條件下注入含有助劑的合成樹脂層，合成樹脂固化完成后則得到相應(yīng)的復(fù)合材料制品，但這種復(fù)合材料制品的制作方法只適用于壁厚比較厚的制品，也就是說受到厚度不能小于3厘米的限制，并且這種制品的強(qiáng)度較低、易分層。為解決上述問題，發(fā)明了高性能纖維三維預(yù)成型體，它是先進(jìn)復(fù)合材料制備的技術(shù)關(guān)鍵和前沿發(fā)展方向，倍受國內(nèi)外國防、軍事、航空、航天等高技術(shù)領(lǐng)域的廣泛重視，發(fā)達(dá)國家長期以來一直對其采取嚴(yán)厲的技術(shù)封鎖和保護(hù)政策。目前比較多見的是三維編織預(yù)成型體，但這種三維預(yù)成型體制造效率太低、成本太高，只能滿足部分需要，難以滿足復(fù)合材料的規(guī)?；a(chǎn)和應(yīng)用需要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決上述問題，提供一種先進(jìn)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)相、且適用于復(fù)合材料閉模成型工藝規(guī)模化生產(chǎn)的高性能纖維三維預(yù)成型體成型方法、采用這種高性能纖維三維預(yù)成型形成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其厚度不受不能小于3厘米的限制，且強(qiáng)度強(qiáng)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是：將短切玻纖薄氈或玻纖連續(xù)氈﹢玻纖機(jī)織單向布或高強(qiáng)高抗沖玻纖布或玻纖無捻粗紗(經(jīng)、緯紗)﹢導(dǎo)流夾芯材料﹢軸向織物(雙軸向(±45°)、三軸向(±45°、0°)、三軸向(±45°、90°)、四軸向(±45°、0°、90°))﹢玻纖機(jī)織單向布或高強(qiáng)高抗沖玻纖布或玻纖無捻粗紗(經(jīng)、緯紗)﹢將短切玻纖薄氈或玻纖連續(xù)氈，通過縫編線一次性縫編而成三維預(yù)成型體。其中為了彌補(bǔ)玻璃纖維橫向剪力不足的缺陷，采用三種方法解決：一是在材料層層疊加中部分采用其他高性能纖維，如芳綸纖維、聚酰亞胺纖維等；二是采用玻纖/碳纖﹢其他高性能纖維；三是采用其他高性能纖維完全取代玻纖。

所述玻璃纖維可以是碳纖維、芳綸纖維和聚酰亞胺纖維氈等高性能纖維。

所述短切玻纖薄氈或玻纖連續(xù)氈可以為短切碳纖氈、芳綸纖維和聚酰亞胺纖維氈等。

所述玻纖機(jī)織單向布或高強(qiáng)高抗沖玻纖布可以是碳纖維、芳綸纖維和聚酰亞胺纖維氈等高性能纖維機(jī)織布。

所述玻纖無捻粗紗(經(jīng)、緯紗)是由玻璃纖維經(jīng)紗層和玻璃纖維緯紗層組成，也可以是碳纖維、芳綸纖維和聚酰亞胺纖維等高性能纖維經(jīng)紗層和碳纖維、芳綸纖維和聚酰亞胺纖維等高性能纖維緯紗層組成。

所述導(dǎo)流夾芯材料是指非織造材料(針刺氈、化學(xué)粘合氈等)，所用纖維可以為各種合成纖維，如聚酯纖維、尼龍纖維、聚苯硫醚纖維、芳綸纖維和聚酰亞胺纖維等有機(jī)纖維。在上述這些主體合成纖維中均勻共混低熔點(diǎn)纖維后，通過梳理、鋪網(wǎng)、預(yù)針刺成氈或者化學(xué)粘合成氈后，采用特定溫度熱定型后使材料保持豐富孔隙的立體蓬松結(jié)構(gòu)形態(tài)，滿足了后續(xù)采用閉模成型工藝與樹脂復(fù)合中有效導(dǎo)流性，適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的工藝要求。

所述軸向織物是指雙軸向織物(±45°)、三軸向織物(±45°、0°)、三軸向織物(±45°、90°)、四軸向織物(±45°、0°、90°)中的一種或者多種組合，所用纖維可以為玻璃纖維、碳纖維等無機(jī)纖維或者聚苯硫醚纖維、芳綸纖維和聚酰亞胺纖維等有機(jī)纖維。

所述高性能纖維三維預(yù)成型體為上述各材料層層疊加后，通過縫編線一次性縫編而連接在一起。在縫編機(jī)構(gòu)中，通過花盤帶動(dòng)梳節(jié)上下左右運(yùn)動(dòng)，槽針、針芯相互配合使縫編線穿過各層材料，形成相互纏結(jié)的線圈，將各層材料一次性縫編而成高性能纖維三維預(yù)成型體。

上述高性能纖維三維預(yù)成型體的厚度為2mm-100mm。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：：(1)本發(fā)明的高性能纖維三維預(yù)成型體是將多層材料一次縫編成型，它可以無限組合形成各種應(yīng)用需要的高性能纖維三維預(yù)成型體，適合于RTM(樹脂傳遞模塑成型工藝)，VARTM(真空輔助樹脂轉(zhuǎn)移模塑工藝)等閉模成型工藝，具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、工藝簡單、工效高、制造成本低等優(yōu)點(diǎn)，所得纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(先進(jìn)復(fù)合材料)產(chǎn)品強(qiáng)度高、成本低，特別是改善了勞動(dòng)環(huán)境和降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，因?yàn)楸揭蚁┳鳛榻宦?lián)劑可以全部進(jìn)入復(fù)合材料產(chǎn)品中，故消除了對大氣產(chǎn)生的污染。(2)本發(fā)明的導(dǎo)流夾芯材料是一種起到導(dǎo)流作用的非織造材料，由于該非織造材料在制備中添加了一定量的低熔點(diǎn)纖維，通過特定溫度熱定型后使材料保持豐富孔隙的立體蓬松結(jié)構(gòu)形態(tài)，滿足了后續(xù)采用閉模成型工藝與樹脂復(fù)合中有效導(dǎo)流性，適應(yīng)大規(guī)模生產(chǎn)的工藝要求。它不僅使三維預(yù)成型體制品具有高速的浸透性和快速的導(dǎo)流性，而且使得三維預(yù)成型體制品具有較好的彈性，有利于制備厚度較厚的輕量化復(fù)合材料。(3)以本發(fā)明的高性能纖維三維預(yù)成型體為增強(qiáng)材料的形成的復(fù)合材料，可廣泛運(yùn)用于高速艦艇外殼、賽車、風(fēng)力發(fā)電機(jī)漿葉片、混凝土建筑補(bǔ)墻、玻璃鋼船、管道、玻璃鋼型材、橋架、環(huán)保工程等領(lǐng)域；可成為航空航天飛行器的主結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)裝置以及熱防護(hù)等主要系統(tǒng)的關(guān)鍵材料；并可廣泛應(yīng)用于高檔汽車整體構(gòu)件、飛機(jī)結(jié)構(gòu)材料、軍用車輛裝甲和頭盔、航天飛機(jī)上的耐高溫材料等。

附圖說明

圖1為三維預(yù)成型體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2高性能玻纖三維預(yù)成型體外觀示意圖。

圖3高性能玻纖/碳纖三維預(yù)成型體外觀示意圖。

圖4高性能玻纖/芳綸三維預(yù)成型體外觀示意圖。

具體實(shí)施方式

下面進(jìn)一步說明項(xiàng)目產(chǎn)品設(shè)計(jì)原理，見產(chǎn)品結(jié)構(gòu)示意圖1。

圖1中1為纖維材料層、2為導(dǎo)流夾芯材料層、3為增強(qiáng)纖維材料層、31為經(jīng)紗層、32為緯紗層、4為縫編線。圖1中增強(qiáng)纖維材料層3由經(jīng)紗層31和緯紗層32組成，將增強(qiáng)纖維材料層1、導(dǎo)流夾芯材料層2和增強(qiáng)纖維材料層3，通過縫編線4一次性縫編而成三維預(yù)成型體。其中：經(jīng)紗層31和緯紗層32的材料為纖維無捻粗紗。

下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明，但并不限制本發(fā)明。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明所授內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明做各種改動(dòng)或修改，這些等價(jià)形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

實(shí)施例1：一種高性能玻纖三維預(yù)成型體(圖2)

按照圖1所示，將增強(qiáng)纖維材料層1、導(dǎo)流夾芯材料層2和增強(qiáng)纖維材料層3，即將上述材料按需要層層疊加后，在縫編機(jī)構(gòu)中，通過花盤帶動(dòng)梳節(jié)上下左右運(yùn)動(dòng)，槽針、針芯相互配合使縫編線4穿過各層材料，形成相互纏結(jié)的線圈，將各層材料一次性縫編而成高性能玻纖三維預(yù)成型體。其中：經(jīng)紗層31和緯紗層32的材料為玻纖無捻粗紗；1纖維材料層可以為短切玻纖層、玻纖短切氈、玻纖薄氈或玻纖連續(xù)氈；2導(dǎo)流夾芯材料層為有機(jī)纖維針刺或化學(xué)粘合等非織造材料；3增強(qiáng)纖維材料層為玻纖長絲組成，可以為雙軸向織物(±45°)、三軸向織物(±45°、0°)、三軸向織物(±45°、90°)、四軸向織物(±45°、0°、90°)中的一種或者多種組合，4縫編線可以為聚酯、尼龍等有機(jī)纖維短纖紗或長絲。形成的外觀見圖2。

實(shí)施例2：一種高性能玻纖/碳纖三維預(yù)成型體(圖3)

為進(jìn)一步提高三維預(yù)成型體拉伸強(qiáng)度，按照圖1所示，將增強(qiáng)纖維材料層1、導(dǎo)流夾芯材料層2和增強(qiáng)纖維材料層3，即將上述材料按需要層層疊加后，在縫編機(jī)構(gòu)中，通過花盤帶動(dòng)梳節(jié)上下左右運(yùn)動(dòng)，槽針、針芯相互配合使縫編線4穿過各層材料，形成相互纏結(jié)的線圈，將各層材料一次性縫編而成高性能玻纖/碳纖三維預(yù)成型體。圖1中增強(qiáng)纖維材料層3由玻纖/碳纖維經(jīng)紗層31和玻纖/碳纖維緯紗層32組成，其中：經(jīng)紗層31和緯紗層32的材料為玻纖無捻粗紗；1纖維材料層可以為碳?xì)?、短切玻纖層、玻纖短切氈、玻纖薄氈、或玻纖連續(xù)氈；2導(dǎo)流夾芯材料層為有機(jī)纖維針刺或化學(xué)粘合等非織造材料；3增強(qiáng)纖維材料層為玻纖/碳纖維長絲組成，可以為雙軸向織物(±45°)、三軸向織物(±45°、0°)、三軸向織物(±45°、90°)、四軸向織物(±45°、0°、90°)中的一種或者多種組合，4縫編線可以為聚酯、尼龍等有機(jī)纖維短纖紗或長絲。形成的外觀見圖3。

實(shí)施例3：一種高性能玻纖/芳綸三維預(yù)成型體(圖4)

為進(jìn)一步提高三維預(yù)成型體沖擊強(qiáng)度，按照圖1所示，將增強(qiáng)纖維材料層1、導(dǎo)流夾芯材料層2和增強(qiáng)纖維材料層3，即將上述材料按需要層層疊加后，在縫編機(jī)構(gòu)中，通過花盤帶動(dòng)梳節(jié)上下左右運(yùn)動(dòng)，槽針、針芯相互配合使縫編線4穿過各層材料，形成相互纏結(jié)的線圈，將各層材料一次性縫編而成高性能玻纖/芳綸三維預(yù)成型體。圖1中增強(qiáng)纖維材料層3由玻纖/芳綸纖維經(jīng)紗層31和玻纖/芳綸纖維緯紗層32組成，其中：經(jīng)紗層31和緯紗層32的材料為玻纖/芳綸纖維無捻粗紗或長絲；1纖維材料層可以為短切玻纖層、玻纖短切氈、玻纖薄氈、或玻纖連續(xù)氈；2導(dǎo)流夾芯材料層為有機(jī)纖維針刺或化學(xué)粘合等非織造材料；3增強(qiáng)纖維材料層為玻纖/芳綸纖維長絲組成，可以為雙軸向織物(±45°)、三軸向織物(±45°、0°)、三軸向織物(±45°、90°)、四軸向織物(±45°、0°、90°)中的一種或者多種組合，4縫編線可以為聚酯、尼龍等有機(jī)纖維短纖紗或長絲。形成的外觀見圖4。

對上述各例的進(jìn)一步說明：為滿足各重應(yīng)用需要，可將各組合材料部分或者全部采用其它有機(jī)高性能纖維。

圖1中1為纖維材料層、2為導(dǎo)流夾芯材料層、3為增強(qiáng)纖維材料層、31為經(jīng)紗層、32為緯紗層、4為縫編線。增強(qiáng)纖維材料層3由經(jīng)紗層31和緯紗層32組成，將增強(qiáng)纖維材料層1、導(dǎo)流夾芯材料層2和增強(qiáng)纖維材料層3，通過縫編線4一次性縫編而成三維預(yù)成型體。其中：經(jīng)紗層31和緯紗層32的材料為無捻粗紗或長絲；纖維材料層1可以為纖維薄氈或連續(xù)氈等；導(dǎo)流夾芯材料層2為有機(jī)纖維針刺或化學(xué)粘合等非織造材料；增強(qiáng)纖維材料層3為長絲?？梢詾殡p軸向織物(±45°)、三軸向織物(±45°、0°)、三軸向織物(±45°、90°)、四軸向織物(±45°、0°、90°)中的一種或者多種組合。