专利名称：一种复合材料编织预制填充带及其制备方法
技术领域：
本发明属于复合材料制备技术，涉及一种复合材料编织预制填充带及其制备方法。
背景技术：
航空航天领域大量用到碳纤维复合材料结构件，它们可以归类并被抽象为一些加墙、加筋、加肋、加帽的结构件2， 这些结构件的拐角处以及结构件2与基板I都有一个“封闭”或“半开放”、需要被填充的所谓“三角区”(图I)。通过用近似材质材料的填充带3进行近似等密度的填充，将能够提高复合材料结构件的连接特性，提高结构的完整性，克服应力集中等。传统上，常见的填充带材料是单向的纤维纱或纤维束，在预制时通过适当的定型，放置进三角填充区，挤紧、压实即完成了填充的任务。很显然，这是一种方便、柔性，但在施工处理上可能会使得填充区的填充带变形太大。事实上，三角填充区的几何形状比较固定(参见图I)，对封闭式接头，其填充区类似一个等边三角形，而对半开放式接头，其填充区接近一种直角三角形，只不过这两种三角形与被填充结构的倒角边应该有一定的弧度而非直线而已。为了提高复合材料结构件制造的一致性，提高结构的完整性，用一种高整体性能、标准、系列化的填充专用预制结构代替传统的单向纤维纱填充带，就显得非常重要；而为了使这种填充材料能够标准化和系列化，同时降低制造成本，需要有一种高制备效率、高形状和尺寸精度的制造技术。布拉格光栅光纤是一种无源光纤元件，在通讯和传感领域有重要用途。布拉格光栅光纤是一种波长选择反射器件，反射波长、与光栅栅距A有关。当外界温度和应力作用于光栅时，光栅的栅距A将发生变化，这个变化将导致反射波长\移动，通过测量反射波长、的变化，即可实现对温度、应变的测量。光纤光栅传感技术的优点包括(I)对光波长信号进行数字式测量，检测精确度高，可避免出现由于光强调制型传感系统中光强起伏引起的误差；⑵灵敏度高，响应时间短；(3)测量结果重复性好，长期稳定性高；(4)结构简单，外观与常规光纤无异，可以与标准通信光纤直接连接，可同时进行传感和远距离信息传输。文献上,利用布拉格光栅光纤传感器检测复合材料结构的应力、应变状态的技术统称为复合材料“结构健康检测”(Structure HealthMonitoring,简称SHM)技术,对此国内外已有较多的参考专利，但到目前为止，SHM技术还属于一种演示性的技术。这种技术难以工业实用的原因之一就是铺设光栅光纤需要极高的技巧，因为光栅光纤本质上是一种玻璃材料，脆而易断，把它铺设进复合材料预制结构，然后经过相当长的复合材料本身的制备流程，光栅光纤的“存活率”因此极低。解决这个问题的办法之一是对光栅光纤进行封装保护。
发明内容
本发明的目的是，提出以标准化的整体结构和系列化的形状尺寸，提供复合材料结构件在封闭或半开放“三角”区的一种复合材料编织预制填充带及其制备方法。本发明的技术方案是；所述的编织预制填充带是由芯材和包覆层组成芯材是由单向纤维纱组成，包覆层是由多层编织带组成，每层的编织带的结构形式为二维二向或二维三向。所述的芯材与包覆层所用的纤维 纱的材质相同或不同，其纤维纱材质为碳纤维或玻璃纤维或芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维或玄武岩纤维或天然植物纤维或上述一种或几种纤维的混合。所述的编织预制填充带为干态预制填充带；其预制截面形状为“三角”形，具体由复合材料结构件接头形式决定，包括等弧边三角形或直角弧弦三角形或不等弧边三角形。所述芯材内部包裹一根表面经脱脂处理的布拉格光栅光纤。复合材料编织预制填充带的制备方法的具体操作步骤如下(I)选择纤维纱的填充量依据复合材料结构件三角区的标准化的整体结构及其形状尺寸为基础，并用复合材料结构件的纤维体积分数来设计复合材料制件三角区所用纤维纱线的纤维束总数N，选取纤维束为N/20 4N/5的纤维纱作为芯材用量，其余作为包覆层纤维纱用量；(2)芯材的制备先配制质量百分比浓度为1% wt. 20% wt.的非反应性定型剂溶液，并把非反应性定型剂溶液喷涂或刷涂在芯材用纤维纱表面，然后把芯材用纤维纱经过预定型工艺制备成芯材预制带；(3)编织预制填充带的编织先按照标准编织工艺把包覆层用纤维纱编织成二维二向或二维三向的编织带，并包覆在芯材预制带外表面，制备得到在芯材预制带外表面包覆多层编织带的编织预制填充带；(4)编织预制填充带的预定型先把非反应性定型剂溶液喷涂或刷涂在编织预制填充带外表面，再把编织预制填充带经拉伸后放入特定形状的整体或可分拆的口模模具中，经预定型工艺处理后获得具有特定形状的编织预制填充带。所述的非反应性定型剂是与复合材料结构件所用树脂基体相匹配的热塑性树脂或热固性树脂或热塑性树脂与热固性树脂的混合物；所述的非反应性定型剂在纤维纱表面喷涂或刷涂的质量百分比为1% 20%。所述在芯材中不包裹或包裹一根表面经脱脂处理的布拉格光栅光纤。所述编织预制填充带的特定形状是由复合材料结构件的接头形式决定的，其特定形状包括等弧边三角形或直角弧弦三角形或不等弧边三角形。所述的预定型工艺为有两种一是“干法”，首先在温度为60°C 250°C下保持5min 3h,使要预定型的芯材和编织预制填充带软化,并在负压> 0. 09MPa下保持5min 3h ;或采用“湿法”，即通过用溶剂使要预定型的芯材和编织预制填充带软化，并在温度60度 250度下,保持负压> 0. 09MPa下保持5min 3h。所述采用“湿法”的溶剂为丙酮或四氢呋喃或乙醇或丙酮。本发明专利的优点是(I)本发明涉及一种编织预制复合材料填充带及其制备方法，它以标准化的整体结构和系列化的形状尺寸，提供复合材料结构件在“封闭”或“半开放三角区”的填充，提高结构件的连接整体特性。(2)在必要的情况下，这种编织预制复合材料填充带的内部还可以包裹布拉格光栅光纤，固化，就得到具有传感功能的复合材料结构件。当此复合材料结构件在遭受冲击时，能够将冲击波传递给布拉格光栅光纤传感器，从而在线监测复合材料制件的冲击威胁，甚至可以利用编码布拉格光栅光线对冲击事件进行定位和冲击能量估计。
图I复合材料制件三角填充区域示意图，( a)是封闭的三角填充区示意图，(b)是半开放的三角填充区示意图；图2典型工业编织结构示意。
具体实施例方式下面对本发明做进一步详细说明。本发明中的“编织”特指工业标准的编织(Braiding)技术(图2)，“预制”特指具有指定填充形状和尺寸的干态结构预制件(BraidedPreform), “填充带”特指编织预制的连续的条带(Braided Gusset), “传感”特指采用布拉格光栅光纤(Fiber Bragg Grating,FBG)的动态传感器。图2中给出了编织纱4和轴向纱5及其二者形成的编织角度8，并分别受到轴向编织载荷6和面内的横向载荷7，且显示了树脂传递模塑成型时的树脂浸渗过程9。本发明所述的可兼传感功能的复合材料编织预制填充带是由芯材和包覆层组成芯材是由单向纤维纱组成，且芯材内部可以包裹一根表面经脱脂处理的起传感功能的布拉格光栅光纤(Fiber Bragg Grating, FBG);包覆层是由包覆着芯材的多层编织带(OverBraiding)组成，每层的编织带的结构形式为二维二向或二维三向。所述的芯材与包覆层所用的纤维纱的材质相同或不同，其纤维纱材质为碳纤维或玻璃纤维或芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维或玄武岩纤维或天然植物纤维或上述一种或几种纤维的混合。所述的编织预制填充带为干态预制填充带(Braided Gusset);其预制截面形状为“三角”区，具体由复合材料结构件接头形式决定，包括等弧边三角形、直角弧弦三角形、不等弧边三角形等。本发明的可兼传感功能的复合材料编织预制填充带的制备方法具体操作步骤如下(I)选择纤维纱的填充量依据复合材料结构件三角区的标准化的整体结构及其形状尺寸为基础，并用复合材料结构件的纤维体积分数来设计复合材料制件三角区所用纤维纱线的纤维束总数N，选取纤维束为N/20 4N/5的纤维纱作为芯材用量，其余作为包覆层纤维纱用量；(2)芯材的制备先配制质量百分比浓度为1% wt. 20% wt.的非反应性定型剂溶液，并把非反应性定型剂溶液喷涂或刷涂在芯材用纤维纱表面，然后把芯材用纤维纱经过预定型工艺制备成芯材预制带；
(3)编织预制填充带的编织先按照标准编织工艺把包覆层用纤维纱编织成二维二向或二维三向的编织带，并包覆在芯材预制带外表面，制备得到在芯材预制带外表面包覆多层编织带的编织预制填充带；(4)编织预制填充带的预定型先把非反应性定型剂溶液喷涂或刷涂在编织预制填充带外表面，再把编织预制填充带经拉伸后放入特定形状的整体或可分拆的口模模具中，经预定型工艺处理后获得具有特定形状的编织预制填充带。上面所述的一种可兼传感功能的复合材料编织预制填充带的制备方法中所述的非反应性定型剂是与复合材料结构件所用树脂基 体相匹配的热塑性树脂或热固性树脂或热塑性树脂与热固性树脂的混合物；所述的非反应性定型剂在纤维纱表面喷涂或刷涂的质量百分比为1% 20%。上面所述的最后获得编织预制填充带的特定形状是由复合材料结构件的接头形式决定的，包括等弧边三角形或直角弧弦三角形或不等弧边三角形。上面所述的预定型工艺为有两种一是“干法”，首先在温度为60°C 250°C下保持5min 3h，使要预定型的芯材和编织预制填充带软化，并在负压> 0. 09MPa下保持5min 3h ;或采用“湿法”，即通过用溶剂使要预定型的芯材和编织预制填充带软化，并在温度60V 250°C下，保持负压> 0. 09MPa下保持5min 3h。所述采用“湿法”的溶剂为丙酮或四氢呋喃或乙醇或丙酮。下面通过实施例对本发明做进一步详细说明。实施例I(I)取12K的T300碳纤维束2束作为芯材，少量(质量百分比约1/100 4/100)喷涂环氧定型剂预处理，成型工艺为在65°C下，并在真空辅助条件下保持20min ；(2)取12K的T300碳纤维束9束，在以上芯材外面，按照标准编织工艺进行二维二向编织；(3)在该编织带外表面，少量(质量百分比约1/100 4/100)喷涂商用环氧定型齐U，经过适当挥发后连续轴向拉伸进入一个简单的等弧边三角形口模(参见图Ia)，口模温度与该定型剂匹配，如此，编织带被定型为等弧边三角形的预制编织带，待用；(4)与上述点(3)相似，但改等弧边三角形口模为直角弧弦三角形口模(参见图Ib)，得到内包裹传感光栅光纤的直角弧弦三角形的预制编织带，待用。实施例2该实施事例与实施例I的区别是成型用口模改为等弧边三角形口模为直角弧弦三角形口模(参见图Ib)，以及芯材内部包裹传感光栅光纤的直角弧弦三角形的预制编织带，待用。实施例3(I)标准化编织填充带的制备，第一步首先确定基础编织带的最小直径并以此为基础变量，采用上述实施例I的制备方法，进行编织。(2)标准化编织填充带的制备，第二步如果设计需要的编织带的直径大于该最小直径，则根据表I进行换算，然后选用合适的纤维束规格以及纤维束的数量，在最小直径编织带的外面进行一层或多层的包覆编织(Over braiding)，从而得到不同尺寸(或大尺寸)的编织预制填充带。
表I标准化编织填充带的规格
权利要求
1.一种复合材料编织预制填充带，其特征在于，所述的编织预制填充带是由芯材和包覆层组成芯材是由单向纤维纱组成，包覆层是由多层编织带组成，每层编织带的结构形式为二维二向或二维三向。
2.根据权利要求I所述的一种复合材料编织预制填充带，其特征在于，所述的芯材与包覆层所用的纤维纱的材质相同或不同，其纤维纱材质为碳纤维或玻璃纤维或芳纶纤维或超高分子量聚乙烯纤维或玄武岩纤维或天然植物纤维或上述一种或几种纤维的混合。
3.根据权利要求I所述的一种复合材料编织预制填充带，其特征在于，所述的编织预制填充带为干态预制填充带；其预制截面形状为“三角”形，具体由复合材料结构件接头形式决定，包括等弧边三角形或直角弧弦三角形或不等弧边三角形。
4.根据权利要求I所述的一种复合材料编织预制填充带，其特征在于，所述芯材内部包裹一根表面经脱脂处理的布拉格光栅光纤。
5.一种复合材料编织预制填充带的制备方法，其特征是，该制备方法的具体操作步骤如下 (1)选择纤维纱的填充量依据复合材料结构件三角区的标准化的整体结构及其形状尺寸，并用复合材料结构件的纤维体积分数来设计复合材料制件三角区所用纤维纱线的纤维束总数N，选取纤维束为N/20 4N/5的纤维纱作为芯材用量，其余作为包覆层纤维纱用量; (2)芯材的制备先配制质量百分比浓度为1%wt. 20% wt.的非反应性定型剂溶液，并把非反应性定型剂溶液喷涂或刷涂在芯材用纤维纱表面，然后把芯材用纤维纱经过预定型工艺制备成芯材预制带； (3)编织预制填充带的编织先按照标准编织工艺把包覆层用纤维纱编织成二维二向或二维三向的编织带，并包覆在芯材预制带外表面，制备得到在芯材预制带外表面包覆多层编织带的编织预制填充带； (4)编织预制填充带的预定型先把非反应性定型剂溶液喷涂或刷涂在编织预制填充带外表面，再把编织预制填充带经拉伸后放入特定形状的整体或可分拆的口模模具中，经预定型工艺处理后获得具有特定形状的编织预制填充带。
6.根据权利要求5所述的一种复合材料编织预制填充带的制备方法，其特征是，所述的非反应性定型剂是与复合材料结构件所用树脂基体相匹配的热塑性树脂或热固性树脂或热塑性树脂与热固性树脂的混合物；所述的非反应性定型剂在纤维纱表面喷涂或刷涂的质量百分比为1% 20%。
7.根据权利要求5所述的一种复合材料编织预制填充带的制备方法，其特征是，所述在芯材中不包裹或包裹一根表面经脱脂处理的布拉格光栅光纤。
8.根据权利要求5所述的一种复合材料编织预制填充带的制备方法，其特征是，所述编织预制填充带的特定形状是由复合材料结构件的接头形式决定的，其特定形状包括等弧边三角形或直角弧弦三角形或不等弧边三角形。
9.根据权利要求5所述的一种复合材料编织预制填充带的制备方法，其特征是，所述的预定型工艺为有两种一是“干法”，首先在温度为60°C 250°C下保持5min 3h，使要预定型的芯材和编织预制填充带软化，并在负压> 0. 09MPa下保持5min 3h ;或采用“湿法”，即通过用溶剂使要预定型的芯材和编织预制填充带软化，并在温度60°C 250°C下，保持负压> o. 09MPa下保持5min 3h。
10.根据权利要求9所述的一种复合材料编织预制填充带的制备方法，其特征是，所述采用“湿法”的溶剂为丙酮或四氢呋喃或乙醇或丙酮。
全文摘要
本发明属于一种复合材料编织预制填充带及其制备方法，涉及编织预制填充带的结构形状及其尺寸的标准化设计以及编织预制技术，并用此填充带提供复合材料结构件在封闭或半开放三角区的整体性填充，可以提高填充区的连接特性、整体特性和结构完整性，从而提升复合材料结构件的使用性能；同时，此填充带的内部可包裹布拉格光栅光纤，使其成为固化后复合材料结构件内嵌的传感器，从而在线监测复合材料结构件在服役状态下遭受异物冲击的威胁，提高复合材料结构件的使用安全性和产品的价值。
文档编号G02B6/02GK102707373SQ20101058186
公开日2012年10月3日 申请日期2010年12月10日 优先权日2010年12月10日
发明者刘刚, 安学锋, 崔海超, 益小苏 申请人:中国航空工业集团公司北京航空材料研究院